Películas Delgadas de Quantum Dots, Tensioactivos y...

Películas Delgadas de Quantum Dots,

Tensioactivos y Polímeros Autoensamblados

Mª Teresa Alejo Cuesta

Salamanca, 2014

Thin Films of Self-Assembled Quantum

Dots, Surfactants and Polymers

Departamento de Química Física

Facultad de Ciencias Químicas

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

Departamento de Química-Física

PELÍCULAS DELGADAS DE QUANTUM DOTS,

TENSIOACTIVOS Y POLÍMEROS AUTOENSAMBLADOS

THIN FILMS OF SELF-ASSEMBLED QUANTUM DOTS, SURFACTANTS AND POLYMERS

Mª TERESA ALEJO CUESTA

Salamanca, 2014

FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS

Departamento de Química-Física

PELÍCULAS DELGADAS DE QUANTUM DOTS, TENSIOACTIVOS Y POLÍMEROS AUTOENSAMBLADOS

THIN FILMS OF SELF-ASSEMBLED QUANTUM DOTS,

SURFACTANTS AND POLYMERS

Memoria que para optar al grado de Doctor por la Universidad de Salamanca presenta la Licenciada Mª Teresa Alejo Cuesta

Salamanca, 27 de Mayo de 2014

Fdo. Mª Teresa Alejo Cuesta

Dª. Mª Mercedes Velázquez Salicio, Catedrático de Universidad, y Dª Mª

Dolores Merchán Moreno, Profesora Titular de Universidad en el

Departamento de Química-Física de la Universidad de Salamanca,

INFORMAN:

Que el trabajo presentado como Tesis Doctoral por la licenciada en Química

Mª Teresa Alejo Cuesta para optar al grado de Doctor por la Universidad de

Salamanca, titulado "Películas Delgadas de Quantum Dots, Tensioactivos y

Polímeros Autoensamblados / Thin Films of Self-Assembled Quantum

Dots, Surfactants and Polymers" ha sido realizado en el laboratorio del G.I.R

de Coloides e Interfases en el Dpto. Química-Física de la Facultad de Ciencias

Químicas de la Universidad de Salamanca (España) y en las instalaciones del

Grupo de Fotoquímica Molecular del Instituto Superior Técnico de Lisboa

(Portugal).

Como directoras del trabajo, autorizan la presentación del mismo, al considerar

que se han alcanzado los objetivos marcados.

Y para que conste, firmo el presente en Salamanca a 27 de Mayo de 2014.

Fdo. Mª Mercedes Velázquez Salicio Fdo. Mª Dolores Merchán Moreno

Mediante la defensa de esta memoria se pretende optar a la obtención

de la mención de “Doctor Europeus”, habida cuenta que el doctorando reúne

los requisitos exigidos para tal mención de acuerdo con el art.22 del Real

Decreto 1393/2007 de 29 de octubre:

1. Se cuenta con los informes favorables y razonados de dos doctores

pertenecientes a instituciones de Enseñanza Superior, o centro de

investigación, de un Estado miembro de la Unión Europea distinto de España.

2. En el Tribunal, que ha de evaluar la Tesis, existe un miembro de un centro

de Enseñanza Superior o Instituto de Investigación de un Estado miembro de la

Unión Europea distinto de España.

3. Parte de la redacción y defensa de la Memoria, al menos el resumen y las

conclusiones, se realizará en la lengua oficial de un Estado miembro de la

Unión Europea distinto de España. Adjuntándose la versión resumida de la

misma en inglés disponible al final de este trabajo.

4. El doctorando ha realizado una parte del trabajo experimental en las

instalaciones del Grupo de Fotoquímica Molecular del Centro de Química

Estrutural del Instituto Superior Técnico de Lisboa (Portugal).

El trabajo que engloba la presente Memoria se ha realizado durante el

periodo de disfrute de una ayuda a la contratación de Personal Investigador de

Reciente Titulación Universitaria (2010/2014) de la European Social Fund y la

Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León concedida al amparo de

la Orden EDU/1867/2009, de 21 de septiembre.

El trabajo desarrollado dentro del G.I.R. de Coloides e Interfases del

Departamento de Química-Física ha sido financiado por los proyectos: MAT

2007-62666 y MAT 2010-19727 del Ministerio de Educación y Ciencia y el

European Regional Development Fund, y SA038A08 de la Junta de Castilla y

León.

Agradecimientos En primer lugar MUCHAS GRACIAS a todas las personas que de una forma u

otra han participado en este trabajo, porque gracias a todos ellos ha sido posible.

Quiero agradecer a mis directoras, Prof. Dra. Mª Mercedes Velázquez Salicio y Prof.

Dra. Mª Dolores Merchán Moreno, por guiarme a lo largo de esta investigación, por su apoyo y

dedicación que han sido fundamentales durante todo este tiempo, además de su ayuda y consejo en

la realización de esta memoria.

Gracias a los miembros del Grupo de Coloides e Interfaces de la Universidad de

Salamanca, a Beatriz por su inestimable ayuda desde el primer hasta el último día, por su

amistad y haber compartido tanto los momentos buenos como los que no lo eran tanto. A David

y Rubén por su disposición y ayuda cada día durante todo este tiempo, y en especial durante el

“modo tesis”. Al Departamento de Química-Física en especial quisiera agradecer a los Prof.

Drs. Jose Luis Usero y Mª Ángeles del Arco, por su ayuda y asesoramiento en mis primeros

pasos como docente. A los Prof. Drs. Julio Casado y Emilio Calle por la atención y colaboración

brindadas.

Agradecer a la Prof. Dra. Josefa Anaya del departamento de Química Orgánica de la

Universidad de Salamanca su colaboración y dedicación en la síntesis del tensioactivo geminal.

Hago extensivo mi agradecimiento al departamento de Química-Orgánica, Villarriba, por

proporcionar asesoramiento en las síntesis, y por su siempre buen humor y alegría. Al

departamento de Química Inorgánica, concretamente a los Prof. Drs. D. Vicente Rives y Dª

Raquel Trujillano por su disponibilidad en la utilización de varios equipos. Quiero agradecer a

los servicios generales de Masas y RMN de la Universidad de Salamanca por la caracterización

del tensioactivo geminal, y a Juan y Marta del Servicio de Microscopía de la Universidad de

Salamanca. Al CLPU por facilitar la realización de las medidas de AFM, en especial a Jose

por su incansable dedicación e implicación en el trabajo. Al Dr. Benito Rodríguez y al Iberian

Nanotechnology Laboratory (INL) por las imágenes de FIB/SEM.

Gracias al grupo de Sistemas Complejos de la Universidad Complutense de Madrid

(UCM), especialmente a los Prof. Drs. Francisco Ortega y Ramón G. Rubio por brindarme la

oportunidad de realizar una estancia en su grupo con el objetivo de realizar medidas de

elipsometría. Al Dr. Jose E.F. Rubio por estas medidas y por permitir que aprendiese un poco

de elipsometría.

Quiero expresar mi más sincero agradecimiento a la Professora Silvia M.B. Costa del

Instituto Superior Técnico de Lisboa por darme la oportunidad de realizar una estancia doctoral

en el Grupo de Fotoquímica Molecular, y aprender tantas cosas, por su buen trato y su

preocupación tanto por el trabajo como por mi bienestar durante la estancia. A los Drs. Pedro

M.R. Paulo y Emilio García por la buena acogida recibida, su siempre desinteresado apoyo, por

todo el tiempo dedicado al trabajo y a la discusión de resultados y todas las cosas aprendidas.

Gracias también a todos los miembros del Grupo de Fotoquímica Molecular.

Quiero agradecer a Gonzalo, a mi familia, en especial a mis padres y herman@s, a mis

amigos arandin@s, y a los que he ganado en estos 10 años desde que comenzó mi andadura por

la química. Gracias por toda la fuerza, el apoyo y los buenos momentos que me han permitido

llegar hasta aquí, porque sin ellos esto no hubiese sido posible.

…I became captivated by the edifices chemists had raised through experiment

and imagination - but still I had a lurking question. Would it not be better if

one could really “see” whether molecules as complicated as the sterols, or

strychnine were just as experiment suggested?

Dorothy Crowfoot Hodgkin

Índice

I. Introducción y Objetivos 1

II. Antecedentes Bibliográficos 13

II.1. Nanopartículas y Quantum Dots 15

II.2. Sistemas autoensamblados de Tensioactivos y Polímeros 19

II.3. Monocapas de Langmuir de Tensioactivos y Polímeros 24

II.4. Películas de Nanopartículas 33

II.5. Microbalanza de Cristal de Cuarzo para la caracterización

de películas delgadas 37

II.6. Bibliografía 44

III. Métodos y Técnicas Experimentales 55

III.1. Materiales 57

III.2. Preparación de monocapas de Langmuir y

procedimiento de estudio 66

III.3. Técnicas Experimentales 68

III.3.1. Balanza de Langmuir 68

III.3.2. Balanza de Langmuir-Blodgett 71

III.3.3. Potencial Superficial (Sonda Kelvin) 73

III.3.4. Microscopía de Ángulo Brewster (BAM) 78

III.3.5. Microscopía de Fuerza Atómica (AFM) 82

III.3.6. Elipsometría 86

III.3.7. Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM) 91

III.3.8. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) 93

III.3.9. Microscopía de tiempos de vida de fluorescencia

(FLIM) 94

III.3.10. Microbalanza de Cristal de Cuarzo (QCM) 101

III.4. Bibliografía 104

IV. Resultados 107

IV.1. Monocapas de Langmuir de tensioactivo geminal,

polímero y mezclas polímero/tensioactivo 109

IV.1.1. Monocapas de Langmuir de tensioactivo

geminal 18-2-18: Efecto de subfases iónicas 114

IV.1.1.1. Propiedades de equilibrio de las monocapas

del tensioactivo 114

IV.1.1.2. Efecto de los electrolitos sobre la monocapa del

tensioactivo 123

IV.1.1.3. Películas Langmuir-Blodgett

del tensioactivo geminal 18-2-18 140

IV.1.2. Monocapas de Langmuir mixtas

polímero PMAO/tensioactivo geminal 143

IV.1.3. Conclusiones 149

IV.1.4. Bibliografía 151

IV.2. Preparación y caracterización de películas de QDs con

tensioactivo geminal y polímero 157

IV.2.1. Películas mixtas de Langmuir y Langmuir-Blodgett

de QDs con matrices de PMAO y tensioactivo geminal 162

IV.2.1.1. Películas mixtas de QDs y polímero PMAO 162

IV.2.1.2. Películas mixtas de QDs y tensioactivo geminal 173

IV.2.1.3. Películas mixtas de tres componentes:

PMAO/Geminal/QDs 178

IV.2.2. Películas Langmuir-Blodgett de QDs transferidas sobre

películas LB de PMAO y tensioactivo geminal 186

IV.2.2.1. Propiedades fotoluminiscentes de películas

Langmuir-Blodgett de QDs 197



IV.3. Estudio de adsorción de QDs, PMAO y tensioactivo geminal

con Microbalanza de Cristal de Cuarzo 249

IV.3.1. Adsorción de PMAO y tensioactivo geminal 252

IV.3.2. Adsorción de QDs sobre películas de PMAO

y de tensioactivo geminal 267



V. Conclusiones 283

VI. Summary in English 291

Anexo I: Abreviaturas y Símbolos

Anexo II: Artículos publicados

Anexo III: Informes Doctorado Europeo

Introducción y Objetivos 3 _____________________________________________________________________________________________________________________

I. Introducción y Objetivos

El 29 de diciembre de 1959 en una visionaria conferencia en el Instituto

Tecnológico de California titulada “Hay espacio de sobra en el fondo” (There

is plenty room at the bottom),1 el premio Nobel de Física Richard Feynman

especulaba con la posibilidad de manipular la materia a nivel de átomos y

moléculas imaginando que, de ser posible trabajar a esa escala, toda la

Enciclopedia Británica podría estar contenida en la cabeza de un alfiler. Este

fue el punto de arranque de una nueva ciencia conocida por nanociencia o

nanotecnología. Sin embargo, el término nanotecnología fue acuñado en 1974

por el científico Japonés Norio Taniguchi en referencia a la capacidad para

construir materiales a escala nanométrica. Dos hitos importantes se produjeron

al comienzo de este siglo y están relacionados con el espectacular desarrollo de

esta ciencia. El primero fue la creación en el año 2000 por parte del el gobierno

de EE.UU. de la Iniciativa Nanotecnológica Nacional, un programa de

agencias gubernamentales que surgió para promover la investigación en

nanociencia e ingeniería, y el segundo fue la elaboración del informe publicado

en julio de 2004 por la Royal Society of London2 titulado: “Nanoscience and

Nanotechnology: Opportunities and Uncertainties”. En este informe se definió

la nanociencia como “el estudio de los fenómenos y la manipulación de

materiales a escala atómica, molecular y macromolecular donde las

propiedades difieren significativamente de aquellas a mayor escala y cuyo

objetivo es el conocimiento fundamental de los fenómenos y materiales a

escala nanoscópica, así como crear y usar estructuras, dispositivos y sistemas

que tengan nuevas propiedades y funciones, como consecuencia de su

tamaño”. Estos dos hechos marcan el crecimiento exponencial de la

nanociencia que ha hecho posible el crecimiento sistemático y controlado de

pequeñas estructuras artificiales, algunas de unos pocos átomos, que se utilizan

en la fabricación de un ingente número de productos. Sería imposible comentar

4 Introducción y Objetivos _____________________________________________________________________________________________________________________

aquí todas y cada una de las aplicaciones en las que se utilizan los

nanomateriales, sin embargo, se presentan algunos ejemplos para ilustrar su

importancia. Entre las aplicaciones que se han beneficiado de estos

nanomateriales se encuentra la industria cosmética, un ejemplo lo constituyen

las cremas solares en las que nanopartículas de óxido de titanio se emplean

como protectores frente a la luz ultravioleta. Algunos productos utilizados en

actividades deportivas o de ocio también se benefician de estos materiales, un

caso muy conocido es el de las nanofibras de carbono utilizadas para reforzar

las raquetas de tenis; en aplicaciones medioambientales se usan nanopartículas

de hierro para descontaminar suelos contaminado con bifenilos policlorados

(PCB); en la fabricación de catalizadores se puede utilizar nanopartículas de

oro, de aluminio y de paladio. La industria farmacéutica utiliza nanoesferas

paramagnéticas como sistemas liberadores de fármacos. Otra industria pujante

como la dedicada a la fabricación de dispositivos optoelectrónicos también

puede escoger entre un amplio abanico de cristales semiconductores para

fabricar dispositivos emisores de luz (LEDs) y células fotovoltaicas. Un

esquema de todas las posibilidades se presenta en la Figura I.1.


Figura I.1. Principales aplicaciones de la Nanotecnología

Los nanomateriales anteriormente citados, presentan dos características

comunes a todos ellos, su elevada relación área/volumen y su pequeño tamaño.

Estas dos características confieren a los nanomateriales unas propiedades

completamente diferentes a las que tendrían a escala macroscópica, a la vez

que una pequeña modificación en alguna de estas características permite

cambiar de forma significativa sus propiedades. Esta última posibilidad es la

responsable del enorme interés suscitado por la nanociencia, y de que esta se

haya convertido en un vasto campo científico-técnico donde trabajan juntos

científicos e ingenieros. Sin embargo, a pesar del inmenso trabajo llevado a

cabo durante los últimos años, hay muchos aspectos que necesitan todavía ser

investigados con mayor profundidad para mejorar las propiedades de los

nanomateriales y para desarrollar nuevos modelos que interpreten su

comportamiento. A uno de estos aspectos se ha dedicado el trabajo de la tesis

doctoral cuyos resultados se presentan en esta memoria.


El trabajo llevado a cabo en esta investigación se centra en la

preparación y caracterización de películas de cristales semiconductores de

CdSe emisores de luz, conocidos también como Quantum Dots (QDs),

depositados sobre soportes sólidos. Los sólidos escogidos son los que se

utilizan habitualmente para fabricar dispositivos optoelectrónicos, mica, vidrio

y silicio. Estos nanocristales semiconductores pueden tener distinto tamaño y

se encuentran recubiertos por un estabilizante. El papel del estabilizante es

evitar la coalescencia del material y suelen ser, por lo general, moléculas que

contienen aminas, grupos oxigenados, tioles y fosfinas. Estos grupos

funcionales interaccionan con el núcleo de CdSe de las nanopartículas

quedando ancladas a la superficie del cristal y estabilizándolas. Dependiendo

del tipo de molécula empleada como estabilizante las nanopartículas pueden

disolverse en agua o en disolventes orgánicos. Como en otro tipo de

nanomateriales, el tamaño de estas nanopartículas modifica sus propiedades y

entre todas ellas el cambio más llamativo es el que produce sobre sus

propiedades ópticas.

Las propiedades ópticas de los QDs en disolución han sido objeto de

especial interés ya que su emisión de fluorescencia presenta una serie de

ventajas respecto a otros colorantes. Estas ventajas pueden resumirse en que

tienen bandas de emisión muy estrechas, en que el proceso de foto-blanqueado

(photobleaching) es prácticamente despreciable, y que puede modularse su

fotoluminiscencia modificando el tamaño o las características de su superficie.

Los resultados obtenidos sobre la variación del rendimiento cuántico de

emisión con la estructura de los QDs revelaron que la intensidad emitida es

siempre inferior en los QDs disueltos en agua que en los QDs de carácter más

hidrófobo.3 Esta es la razón por la que se utilizan estos últimos para construir

dispositivos emisores de luz o células fotovoltaicas. En la actualidad existen

discrepancias a la hora de interpretar este hecho, sin embargo, estudios


dinámicos de fluorescencia de disoluciones que contienen QDs señalan a los

procesos de transferencia electrónica y de transferencia de energía como las

principales causas de la reducción del proceso radiativo.4 Estos procesos se

relacionaron con la existencia de defectos de carga superficiales y con la

disminución de la distancia entre las nanopartículas debida a la formación de

pequeños clusters.5, 6, 7

La situación es aún más compleja cuando los QDs se encuentran

depositados sobre sólidos. Esto se debe en buena medida a que no se ha

encontrado todavía una metodología de deposición que dé lugar a películas en

las que las nanopartículas se encuentren distribuidas de manera homogénea

evitando la formación de clusters y que elimine en la mayor proporción posible

la agregación 3D, ya que estos dos procesos favorecen las transferencias

electrónica y de energía disminuyendo el rendimiento cuántico de

fluorescencia.8 Dos son los aspectos que hay que mejorar para aumentar la

emisión de fluorescencia, el primero es encontrar una técnica de deposición

que permita un gran control sobre la distancia interpartícula y el segundo,

aumentar las interacciones atractivas entre el sólido y las nanopartículas con el

fin de que estas predominen sobre las interacciones entre nanopartículas

evitando la formación de agregados 3D. Por lo que se refiere a las técnicas de

deposición algunas de las más utilizadas son la evaporación del disolvente

después de depositar un determinado volumen de la disolución, drop casting, o

de centrifugar una gota depositada sobre el sólido, spin coating, y por último la

inmersión del sustrato en la disolución, dip coating. Estas metodologías

producen procesos indeseables como la agregación de las nanopartículas

debido a efectos hidrodinámicos y capilares durante el proceso de secado.9, 10

Una alternativa propuesta por algunos autores y que hemos empleado con éxito

en nuestro grupo es la metodología de Langmuir-Blodgett. Aunque su

fundamento se explicará más adelante en la memoria, se resume aquí su


funcionamiento. Esta metodología consiste en transferir desde la interfase aire-

agua al sustrato sólido el material insoluble que se encuentra formando una

monocapa de tipo Langmuir, mediante la extracción del sólido que se

encuentra sumergido en la interfase. El proceso de deposición se realiza

manteniendo la presión superficial constante. La ventaja de esta técnica es que

se puede variar la distancia entre las moléculas del material que se desea

transferir modificando la densidad superficial de la monocapa de Langmuir

mediante la compresión o expansión de las barreras.11 A pesar del gran control

que permite esta técnica sobre las condiciones de deposición, quedan aún otros

problemas por resolver en el caso de la preparación de películas de QDs

hidrófobos sobre silicio, vidrio o mica. Uno de los más importantes es

conseguir aumentar la afinidad de los QDs por los sólidos, haciendo que su

afinidad sea mayor que la de las nanopartículas entre si evitando así la

formación de agregados 3D de QDs. Una de las propuestas para resolver esta

situación es recubrir el sólido con polímeros o tensioactivos, aunque hasta el

momento no se han conseguido los resultados deseados. Utilizando estas

estrategias, en un trabajo previo llevado a cabo por nuestro grupo, se han

obtenido películas de QDs de CdSe estables utilizando el copolímero de bloque

estiren-anhídrido maleico-ácido 4-etoxi4-oxo-2-butenoico, PS-MA-BEE, y la

metodología de Langmuir-Blodgett (LB) como método de deposición. 12

En esta tesis se utiliza otro derivado de anhídrido maleico, el

poli(anhídrido maleico-alt-1-octadeceno) (PMAO), con el objetivo de controlar

el autoensamblaje de QDs de CdSe. Se escogió este polímero ya que se ha

utilizado con éxito para evitar la agregación de otros tipos de nanopartículas3,

12-14 y como estabilizante de QDs dando lugar a películas LB estables.15

Además del polímero PMAO, se decidió utilizar el tensioactivo geminal,

dibromuro de etil-bis (dimetil octadecil ammonio), de forma abreviada, 18-2-

18. Se escogió este tensioactivo porque presenta una gran adsorción sobre


distintos sólidos16 y aumenta de forma considerable la adsorción de colágeno17

y de ADN18, 19 sobre sustratos sólidos. Se diseñaron dos metodologías de

deposición con el objetivo de modular el autoensamblaje de los QDs. La

primera consiste en preparar una monocapa mixta formada por el polímero o el

tensioactivo y los QDs que posteriormente se deposita sobre el sólido mediante

la técnica de LB, co-spreading. La segunda, consistió en preparar una primera

película LB del polímero o del tensioactivo sobre la que después se depositaron

los QDs, bicapa. Con el objetivo de estudiar la emisión de fluorescencia de las

películas de QDs y los procesos involucrados en su dinámica de fluorescencia

se utilizó la técnica de microscopía de tiempos de vida de fluorescencia

(FLIM). Para obtener nanomateriales de calidad y optimizar el proceso de

autoensamblaje es necesario entender el mecanismo, las fuerzas involucradas y

los factores que afectan a la organización de los nanomateriales en la interfase.

Con este objetivo se abordó la investigación de las propiedades reológicas y

estructurales, de las moléculas de PMAO y tensioactivo geminal que recubren

el sustrato, y de la película de QDs con la técnica de Microbalanza de Cristal

de Cuarzo (QCM), que nos permite conocer también la cantidad de material

adsorbido y de su cinética de adsorción.

De acuerdo con lo anteriormente expuesto, los resultados de esta tesis

se han estructurado en tres partes. En la primera parte se estudian de las

propiedades de equilibrio de las monocapas del tensioactivo geminal 18-2-18,

y de las monocapas formadas por mezclas del tensioactivo y el polímero

PMAO, que se transfieren a sólidos mediante la técnica Langmuir-Blodgett y

posteriormente se caracterizan con técnicas microscópicas. Se ha estudiado

cómo influye en las características superficiales de la monocapa de tensioactivo

geminal la presencia de aniones de la serie Hofmeister en la subfase acuosa,

además de estudiar el efecto que producen los contraiones.


En la segunda parte se estudian las películas formadas por QDs de

CdSe, analizando la morfología de las películas preparadas por las

metodologías de co-spreading y bicapa, utilizando el polímero PMAO, el

tensioactivo geminal 18-2-18 y mezclas polímero/tensioactivo como

coadyuvantes de la adsorción. Las técnicas de caracterización empleadas son

las microscopias de AFM, SEM y TEM. Previo a la deposición sobre el sólido,

se llevó a cabo el estudio de las monocapas de Langmuir precursoras de las

películas LB de los materiales. Este estudio tiene como principal objetivo

conocer el estado de la monocapa que posteriormente se transferirá al sustrato

mediante la técnica de Langmuir-Blodgett. Además de estudiar el efecto de la

metodología de preparación sobre la morfología de las películas, se analizó el

efecto de la composición de la monocapa sobre la estructura de las películas.

También se llevó a cabo la determinación de las propiedades fotoquímicas de

las películas de QDs mediante la técnica de FLIM, con el objetivo de estudiar

los procesos involucrados en la emisión de fluorescencia y el papel que juega

la morfología de las películas sobre estos procesos.

Por último, en la tercera parte se llevó a cabo la determinación, entre

otras propiedades, del recubrimiento del solido con las distintas películas

utilizando la técnica de Microbalanza de Cristal Cuarzo con Disipación. En

primer lugar se estudian las propiedades estructurales y reológicas de las

películas de PMAO y tensioactivo geminal adsorbidas sobre la superficie del

sensor, además de la cinética de adsorción de estas moléculas. Esta técnica

permitió también estudiar las propiedades reológicas y el proceso cinético de

adsorción de los QDs sobre el sólido modificado con el tensioactivo y el

polímero, y evaluar la influencia de las propiedades de estas películas sobre el

autoensamblaje de los QDs y sus propiedades.


1. Richard, F. There is plenty of room at the bottom, www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html) 2. uncertainties, N. a. n. o. a.; The Royal Society & The Royal Academy of Engineering2004. 3. Pellegrino, T.; Manna, L.; Kudera, S.; Liedl, T.; Koktysh, D.; Rogach, A. L.; Keller, S.; RÃ¤dler, J.; Natile, G.; Parak, W. J., Hydrophobic Nanocrystals Coated with an Amphiphilic Polymer Shell: A General Route to Water Soluble Nanocrystals. Nano Lett. 2004, 4, 703-707. 4. Jones, M.; Scholes, G. D., On the use of time-resolved photoluminescence as a probe of nanocrystal photoexcitation dynamics. J. Mater. Chem. 2010, 20, 3533-3538. 5. Jones, M.; Lo, S. S.; Scholes, G. D., Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 3011. 6. Cordero, S. R.; Carson, P. J.; Estabrook, R. A.; Strouse, G. F.; Buratto, S. K., Photo-Activated Luminescence of CdSe Quantum Dot Monolayers. The Journal of Physical Chemistry B 2000, 104, 12137-12142. 7. Bawendi, M. G.; Carroll, P. J.; Wilson, W. L.; Brus, L. E., J. Chem. Phys. 1992, 96, 946. 8. Sear, R. P.; Chung, S.-W.; Markovich, G.; Gelbart, W. M.; Heath, J. R., Spontaneous patterning of quantum dots at the air-water interface. Physical Review E 1999, 59, R6255-R6258. 9. Semenov, S.; Starov, V. M.; Rubio, R. G.; Velarde, M. G., Computer Simulations of Evaporation of Pinned Sessile Droplets: Influence of Kinetic Effects. Langmuir 2012, 28, 15203-15211. 10. Semenov, S.; Starov, V. M.; Rubio, R. G.; Agogo, H.; Velarde, M. G., Evaporation of sessile water droplets: Universal behaviour in presence of contact angle hysteresis. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2011, 391, 135-144. 11. Petty, M. C., Langmuir-Blodgett films: An introduction. Cambridge University Press1996. 12. Martín-García, B.; Velázquez, M. M., Block copolymer assisted self-assembly of nanoparticles into Langmuir–Blodgett films: Effect of polymer concentration. Materials Chemistry and Physics 2013, 141, 324-332. 13. Shtykova, E. V.; Huang, X.; Gao, X.; Dyke, J. C.; Schmucker, A. L.; Dragnea, B.; Remmes, N.; Baxter, D. V.; Stein, B.; Konarev, P. V.; Svergun, D. I.; Bronstein, L. M., Hydrophilic Monodisperse Magnetic Nanoparticles Protected by an Amphiphilic Alternating Copolymer. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 16809-16817. 14. Yu, W. W.; Chang, E.; Sayes, C. M.; Drezek, R.; Colvin, V. L., Aqueous dispersion of monodisperse magnetic iron oxide nanocrystals through phase transfer. Nanotechnology 2006, 17, 4483. 15. Jin, J.; Li, L. S.; Tian, Y. Q.; Zhang, Y. J.; Liu, Y.; Zhao, Y. Y.; Shi, T. S.; Li, T. J., Structure and characterization of surfactant-capped CdS


nanoparticle films by the Langmuir-Blodgett technique. Thin Solid Films 1998, 327-329, 559-562. 16. Singh, A.; Van Hamme, J. D.; Ward, O. P., Surfactants in microbiology and biotechnology: Part 2. Application aspects. Biotechnol. Adv. 2007, 25, 99-121. 17. Lv, M.; Chen, Q.; Yonese, M.; Xu, S.; Liu, H., Auto-organized nano-structure of collagen on Gemini surfactant monolayer. Colloids Surf. B 2008, 61, 282-289. 18. Chen, X.; Wang, J.; Shen, N.; Luo, Y.; Li, L.; Liu, M.; Thomas, R. K., Gemini Surfactant/DNA Complex Monolayers at the Air-Water Interface: Effect of Surfactant Structure on the Assembly, Stability, and Topography of Monolayers. Langmuir 2002, 18, 6222-6228. 19. Chen, Q.; Kang, X.; Li, R.; Du, X.; Shang, Y.; Liu, H.; Hu, Y., Structure of the Complex Monolayer of Gemini Surfactant and DNA at the Air/Water Interface. Langmuir 2012, 28, 3429-3438.

Antecedentes Bibliográficos 15 _____________________________________________________________________________________________________________________

II. Antecedentes Bibliográficos

En este capítulo se resumen algunos de los conceptos más importantes

relacionados con el estudio y las propiedades de nanopartículas, polímeros y

tensioactivos geminales, y de las monocapas de tipo Langmuir y Langmuir-

Blodgett formadas por estos sistemas autoensamblados. Además se describe el

uso de la Microbalanza de Cristal de Cuarzo con Disipación para el estudio de

películas delgadas de polímeros, tensioactivos y nanopartículas, y se presentan

los aspectos teóricos necesarios para el desarrollo de este trabajo.

II.1. Nanopartículas y Quantum Dots

La utilización de nanopartículas (NPs) es una de las estrategias más

prometedoras dentro de la nanotecnología, por sus propiedades únicas y

novedosas. Sin embargo, la historia de las nanopartículas se remonta a tiempos

remotos. Hace más de 2500 años, los antiguos egipcios fueron capaces de

aplicar una gran variedad de pigmentos con un amplio espectro de colores que

utilizaban para el teñido de tejidos, cerámicas, etc. La fuente de estos colores

fueron nanopartículas metálicas dispersadas en disoluciones coloidales. En la

Edad Media las civilizaciones chinas y europeas también desarrollaron

pigmentos por métodos similares, y su colorida ornamentación se debió

principalmente a nanopartículas de oro de distintos tamaños. También la tinta

negra utilizada en caligrafía oriental estaba constituida por nanopartículas de

carbono coloidales. En el siglo XX comenzaron a desarrollarse variedades

sintéticas de nanopartículas que han revelado una gran diversidad de nuevas e

interesantes propiedades y aplicaciones. Actualmente existe un número

creciente de aplicaciones en áreas como la electrónica, fotónica, óptica,

industria farmacéutica, medio ambiente, materiales y productos de consumo.1

16 Antecedentes Bibliográficos _____________________________________________________________________________________________________________________

Las nanopartículas se definen como partículas que tienen al menos una

de sus tres dimensiones en el margen entre 1 y 100 nm de longitud. Es decir, su

tamaño se encuentra entre el de los átomos o moléculas y el de los materiales a

escala macroscópica. Dentro de este rango de tamaños las nanopartículas

suelen estar constituidas por 10-10000 átomos. En función del material que las

constituye, las nanopartículas pueden estar formadas por componentes

semiconductores, puramente metálicos, óxidos de un metal, orgánicos o

biológicos.

Los cristales semiconductores de CdSe, conocidos como puntos

cuánticos o Quantum Dots (QDs),2 son semiconductores capaces de emitir

fluorescencia que, en los últimos años, están siendo considerados excelentes

candidatos para ser utilizados como biosensores o quimiosensores, como

marcadores para obtener imágenes selectivas en organismos vivos, etc. Sus

principales ventajas residen en que dan lugar a bandas de emisión de

fluorescencia muy estrechas y con un tiempo de vida de fluorescencia grande.

Entre sus principales aplicaciones se incluye su utilización en diodos emisores

de luz, en la fabricación de láseres con un ancho de banda estrecho, en células

solares fotovoltaicas, en dispositivos de visualización como LED, y en

nanoelectrónica, fotoelectrónica o fotónica.

Las propiedades electrónicas, magnéticas y ópticas de los

semiconductores cambian drásticamente cuando su tamaño alcanza la escala

nanométrica. Cuando la longitud de onda de de Broglie de las partículas

portadoras de energía (electrones/huecos) es comparable con el diámetro de la

nanopartícula sólo ciertos valores discretos de energía son permitidos, este

efecto se conoce como confinamiento cuántico. Cuando los QDs son excitados

con energías superiores a su banda prohibida, band gap, se promueve un

electrón de la banda de valencia a la banda de conducción, dejando un hueco

en la banda de valencia del semiconductor, este par electrón hueco se conoce


como excitón. Los electrones de la banda de conducción y los huecos de la

banda de valencia tienen una distancia física promedio conocida como radio de

Bohr del excitón. En los semiconductores a escala macroscópica esta distancia

es mucho mayor que el radio de Bohr. Si el tamaño de los nanocristales es

menor que el radio de Bohr se generan niveles de energía con valores discretos.

Además, las posiciones absolutas de los niveles de energía varían en función

del grado de confinamiento, y por tanto en función del tamaño del nanocristal.3

La diferencia de energía entre las bandas de valencia y conducción aumenta

con el incremento del confinamiento, de modo que los QDs de menor tamaño

tienen el mayor band gap y por tanto una transición electrónica más energética.

Puesto que el band gap se incrementa a medida que el tamaño disminuye en el

intervalo entre 2 y 20 nm de radio, se produce un desplazamiento del espectro

de adsorción hacia el azul a medida que disminuye el tamaño de las

nanopartículas. Las propiedades ópticas, por tanto, pueden modularse

modificando el tamaño de las nanopartículas.4, 5 La característica que los hace

tan importantes es que sus propiedades se encuentran en un estado intermedio

entre las de átomos y moléculas y las propiedades de los compuestos a escala

macroscópica. Muchas de esas propiedades, incluyendo propiedades físicas,

químicas, ópticas, eléctricas y magnéticas pueden ser moduladas de forma

relativamente simple modificando su tamaño, forma, composición, ligandos

orgánicos protectores y la distancia interpartícula.6

Una de las metodologías más utilizadas para controlar la organización

de las nanopartículas, y por tanto sus propiedades, es el autoensamblaje. El

autoensamblaje se ha convertido en una metodología puntera en la fabricación

de materiales funcionales con propiedades ópticas, electrónicas, químicas y

biológicas únicas.7, 8 En las estructuras formadas por nanopartículas

autoensambladas, cada partícula individual es el bloque de construcción

fundamental que sirve para confeccionar la estructura ordenada. La


comprensión de las propiedades dependientes del tamaño y forma de las

nanopartículas individuales, y de las propiedades colectivas de los ensamblados

es de gran interés y necesaria para sus potenciales aplicaciones.2

Centrándonos en las nanopartículas semiconductoras, el factor más

importante en su autoensamblaje son los ligandos orgánicos utilizados como

estabilizantes, que están unidos a la superficie de su núcleo inorgánico. Se

utilizan varios tipos de ligandos orgánicos tales como óxidos de fosfinas,

fosfanos, alquiltioles, aminas y ácidos carboxílicos que dirigen el

autoensamblaje de las nanopartículas. El ensamblaje controlado de

nanopartículas semiconductoras en estructuras en dos dimensiones es un paso

esencial para su utilización como elementos funcionales en nuevos materiales

ya que sus propiedades están gobernadas por la organización de las

nanopartículas.9-11 Las monocapas de Langmuir proporcionan un sistema que

permite la manipulación de las nanopartículas y su transferencia a sustratos

sólidos en películas LB.12-14

El autoensamblaje de nanopartículas en la interfase aire-agua se puede

controlar mediante la adición de tensioactivos o polímeros en la interfase. El

ensamblaje interfacial de los componentes mezclados da lugar a diferentes

agregados, con características muy diferentes a las que se obtienen con los

componentes puros. Por tanto, esta metodología se propone como una técnica

que previene la formación de agregados en 3D y que permite dirigir el proceso

de autoensamblaje de nanopartículas (NPs) en 2D.12-15 La formación de estas

nuevas estructuras está controlada por el balance de interacciones entre las

moléculas añadidas y los ligandos de las nanopartículas.16, 17 Esta estrategia de

autoensamblaje da lugar a estructuras híbridas estables16, pero es necesario

profundizar en el papel que juegan las interacciones para controlar la

fabricación de estos sistemas.


El autoensamblaje de nanopartículas con polímeros y tensioactivos es

una estrategia que ofrece la posibilidad de modificar las propiedades

mecánicas, ópticas, electrónicas y catalíticas de los nuevos materiales

nanoestructurados.18-20 La diferente naturaleza del grupo hidrófobo y el grupo

polar de la molécula anfifílica controlan la interacción con el ligando de las

nanopartículas y dirige el autoensamblaje.16

II.2. Sistemas autoensamblados de Tensioactivos y Polímeros

Tensioactivos

Los tensioactivos presentan propiedades de gran interés, tanto en

interfases como en solución,21 y se han utilizado en un gran número de

aplicaciones.22 Los tensioactivos convencionales están compuestos por una

cadena hidrocarbonada, hidrófoba, unida a un grupo iónico o polar, cabeza

hidrófila, según el cual los tensioactivos se clasifican en iónicos o no iónicos.

Dentro de los tensioactivos iónicos, estos pueden clasificarse en tensioactivos

aniónicos y catiónicos. Con el objetivo de mejorar las propiedades de estas

moléculas, en los años noventa se sintetizaron tensioactivos modificando la

estructura de los tensioactivos convencionales y el tipo de molécula, surgiendo

así tensioactivos de nueva generación, como son los tensioactivos geminales.

El término geminal fue acuñado por primera vez por Menger,23 y se

refiere a moléculas anfifílicas compuestas por dos colas hidrocarbonadas y dos

grupos hidrófilos unidos mediante un espaciador. Una representación de varios

tipos de tensioactivo se presenta en la Figura II.1.


Figura II.1. Representación esquemática de un tensioactivo convencional monocatenario (a),

tensioactivo de doble cadena (b), tensioactivo bolaforme (c) y tensioactivo geminal (d).

Los tensioactivos geminales son considerablemente más activos en

superficie que los tensioactivos convencionales. Por sus propiedades únicas

tienen un gran potencial para ser usados como efectivos emulsificantes, en la

industria de detergentes, en cosmética, y para diferentes aplicaciones por sus

propiedades como antibacterias, dispersantes, anticoagulantes, etc.

Recientemente se han utilizado para la solubilización de tintes y pigmentos en

la industria textil,24 para terapia génica,25 así como en la fabricación de

materiales de alta porosidad.26

El creciente interés en estos compuestos se basa en sus propiedades: en

primer lugar tienen una concentración micelar crítica (cmc) uno o dos órdenes

de magnitud menor que los correspondientes tensioactivos monoméricos de

cadena equivalente, por lo que son mucho más eficientes disminuyendo la

tensión superficial del agua, es decir su capacidad de adsorción sobre las

superficies es mucho más elevada.27 Estas características permiten el uso de

una menor cantidad de tensioactivo respecto a los tensioactivos monoméricos

disminuyendo el coste económico y el impacto ambiental. Por último,

comentar que los tensioactivos geminales poseen importantes propiedades


viscoelásticas. Las disoluciones acuosas de tensioactivos geminales con

espaciadores cortos poseen una viscosidad elevada a baja concentración de

tensioactivo mientras que las disoluciones de los correspondientes monómeros

son menos viscosas. Esto refleja la habilidad de estos tensioactivos para formar

micelas tipo gusano a muy bajas concentraciones sin necesidad de la presencia

de electrolitos en el medio.28

Un importante componente que gobierna en buena medida las

propiedades de estos tensioactivos es el espaciador.29 Los espaciadores más

utilizados pueden ser grupos metileno de mayor o menor longitud, grupos

rígidos como el estilbeno, polares (poliéteres) y no polares (alifáticos o

aromáticos). Los espaciadores iónicos pueden ser catiónicos (amonio) o

aniónicos (fosfato, sulfato, carboxilato) mientras que los polares no iónicos

suelen ser poliéteres o azúcares. La mayoría de los tensioactivos geminales

tienen estructuras simétricas con cadenas y grupos polares idénticos, aunque

también se pueden encontrar tensioactivos geminales asimétricos o

heterogéneos, que pueden tener distintas cadenas hidrocarbonadas o distintos

grupos polares, como tensioactivos geminales con tres o más grupos polares y

cadenas (trímeros).

La forma habitual de denominar los tensioactivos geminales es por el

número de átomos de carbono que contienen los diferentes grupos del

tensioactivo. Para ilustrar esta denominación consideremos un tensioactivo

geminal simétrico en el cada cadena hidrocarbonada contiene m átomos de

carbono mientras el separador contiene s átomos de carbono. El criterio

aceptado para el acrónimo del tensioactivo sería m-s-m.30


Figura II.2. Representación esquemática del tensioactivo geminal catiónico utilizado en este

trabajo 18-2-18, m-s-m.

Los geminales catiónicos simétricos constituyen una de las familias más

estudiadas debido a la relativa facilidad de su síntesis así como por la

disponibilidad de los productos de partida. La naturaleza y longitud del

espaciador s, y de las cadenas hidrocarbonadas m, determinan las propiedades

de estos tensioactivos. Al aumentar la longitud de las cadenas hidrocarbonadas,

se incrementa la insolubilidad de las moléculas en agua, resultando insolubles

los tensioactivos geminales con cadenas superiores a 16 átomos de carbono.

Estos tensioactivos geminales insolubles pueden formar monocapas de

Langmuir sobre subfases acuosas mediante su disolución en un disolvente

orgánico volátil y posteriormente adicionándolo sobre la superficie. De este

modo mediante la balanza de Langmuir se obtiene la isoterma presión

superficial-área por molécula que nos proporciona información sobre la

orientación y empaquetamiento de las moléculas de tensioactivo en la interfase.

Los tensioactivos geminales del tipo al utilizado en esta investigación:

CnH2n+1N+(CH3)2(CH2)SN+(CH3)2CnH2n+1.2Br- se han utilizado para la

fabricación de un gran número de materiales como zeolitas mesoporosas, con

aplicaciones en procesos de adsorción y en procesos catalíticos,26 y se ha

demostrado su efectividad como agentes antibacterianos.31, 32 Su carácter

NH3C

H3C

NCH3

CH3

BrBr

18-2-18


anfifílico ha hecho posible su utilización como recubrimiento de QDs

hidrófobos y facilitando así su transferencia a un medio acuoso, obteniendo así

QDs estables y biocompatibles que pueden utilizarse como componentes de

sensores selectivos de iones33 o como marcadores celulares para obtener

imágenes de fluorescencia de células vivas.34 Su elevada capacidad se

adsorción sobre superficies sólidas ha permitido que se utilicen como ligandos

en la de síntesis de nanopartículas con una geometría definida que se utilizarán

en la fabricación de biodetectores y biosensores.35, 36 Además, se ha propuesto

el uso de monocapas de Langmuir de tensioactivos geminales para dirigir el

autoensamblaje de nanopartículas cargadas que se encuentran disueltas en la

subfase, permitiendo diseñar nanocompuestos con un patrón definido.37, 38

Polímeros

Los polímeros están constituidos por una o varias unidades

monoméricas que se repiten a lo largo de su estructura. Se suelen clasificar

atendiendo a la composición de la unidad monomérica, así se denominan

homopolímeros aquellos compuestos por una unidad monomérica que se repite

y copolímeros los que están compuesto por al menos dos tipos de monómeros

diferentes.

Los copolímeros de bloques se autoensamblan de forma espontánea en

estructuras de longitud de decenas de nanómetros, y estas estructuras se pueden

transferir a sustratos mediante la metodología de Langmuir-Blodgett (LB) o

por inmersión del sustrato en las disoluciones de estos polímeros.39-41 Algunos

argumentos teóricos sugieren que la interacción entre partículas

autoorganizadas y matrices autoensambladas da lugar a estructuras

ordenadas.42 Concretamente, algunas investigaciones revelan que la

organización de nanopartículas está dirigida por interacciones moleculares

entre los copolímeros y nanopartículas que constituyen las monocapas mixtas


en la interfase aire-agua.17, 43 Los principales esfuerzos se centran en la

preparación de dispersiones de nanopartículas en películas delgadas de

polímeros de modo que sus propiedades físicas no se vean afectadas.9

Los polímeros derivados de anhídrido maleico como el poli(anhídrido

maleico-alt-1-octadeceno) (PMAO), se pueden utilizar en películas Langmuir-

Blodgett (LB) para la fabricación de dispositivos electrónicos sub-

micrométricos,44 ya que son estables frente a haces electrónicos.45 Este

polímero interacciona efectivamente con nanopartículas hidrófobas dando

lugar a una excelente estabilización de las mismas y evitando la agregación de

la nanopartículas en 3D.46-49 Concretamente, ha demostrado ser un buen

estabilizador de nanopartículas de CdS en forma de micelas inversas. Además,

estas nanopartículas de CdS recubiertas con PMAO se han transferido de forma

eficaz desde la interfase aire-agua a sustrato sólido con la técnica LB.50 Por

otro lado el polímero PMAO en la interfase aire-agua se ha utilizado para el

autoensablaje de nanopartículas magnéticas disueltas en la subfase, gracias a la

interacción electrostática del grupo carboxilato del polímero con la superficie

cargadas de las partículas de Fe3O4,51 y aprovechando el carácter anfifílico de

las películas delgadas de PMAO, se han utilizado con QDs para la fabricación

de biosensores.15

II.3. Monocapas de Langmuir de Tensioactivos y Polímeros

Las monocapas de Langmuir se conocen desde la época de los

babilonios, siglo XVIII a.C., quienes las empleaban con fines mágicos, y

posteriormente, fueron adoptadas con los mismos fines por los griegos.52 Sin

embargo, la primera aplicación tecnológica reconocida de las monocapas fue

en el antiguo arte japonés del jaspeado, conocido como suminagashi. Tiene su

origen en China hace más de 2000 años aunque los japoneses comenzaron a

practicarlo en el siglo XII pasando de tener un uso mágico a convertirse en un


arte. Consiste en la aplicación, sobre una superficie acuosa, de una gota de tinta

a la que se fuerza a dispersarse, a continuación se deposita otra que dispersa a

la anterior y así sucesivamente con gotas de diferentes colores creando un

diseño único, ya que se mueve delicadamente la superficie soplando o

abanicando, lo que da lugar a llamativas y nuevas formas que son recogidas en

una hoja de papel o seda.53, 54

La primera investigación científica de estas monocapas fue realizada

por Benjamín Franklin, en 1774, quien observó que al depositar una pequeña

cantidad de aceite sobre un estanque de agua, éste se esparcía por toda la

superficie.55 Sin embargo, fue Lord Rayleigh, en el siglo XIX, el primero en

realizar medidas de la tensión superficial de las monocapas de aceite esparcidas

sobre agua, y partir de medidas de densidad, estimó la altura de la monocapa de

aceite que podía ser alrededor de 16 Å.56 Durante el año siguiente, Agnes

Pockels realizó estudios de compresión de monocapas de aceite sobre una

subfase acuosa empleando “barreras”, a modo de una primitiva balanza de

Langmuir, observando que la tensión superficial disminuía rápidamente cuando

la monocapa se comprimía en las proximidades de una cierta área.57

Posteriormente, Lord Rayleigh explicó este fenómeno suponiendo que las

moléculas de aceite formaban una capa monomolecular y que en ese

determinado área las moléculas se encontraban completamente

empaquetadas.58 En 1917 Irving Langmuir comenzó a estudiar interfases de

sustancias puras y confirmó lo que Rayleigh intuía, que se trataba de

monocapas, llegando incluso a proponer la orientación de estas moléculas en la

interfase.59 Años después, y en trabajos conjuntos con Langmuir, Katharine

Blodgett, demostró que esas monocapas podían transferirse a un sustrato

sólido,60 e incluso realizaron transferencias múltiples obteniendo multicapas,61

que actualmente se conocen como películas Langmuir-Blodgett (LB).


Las monocapas de Langmuir se forman a partir de moléculas insolubles

o poco solubles mediante la deposición del material disuelto en un disolvente

orgánico sobre la interfase; en ellas no existe intercambio de material entre la

interfase y el líquido que soporta la monocapa (subfase), que generalmente, es

agua. Por este motivo, se puede establecer una relación directa entre la

concentración superficial, , y el área ocupada, A, de acuerdo con la siguiente

expresión:

1A [II.1]

Tal y como se deduce de la expresión anterior, una reducción del área

conduce a un incremento de la concentración superficial. Mediante

experiencias de compresión (disminución del área) se puede aumentar la

cantidad de materia por unidad de superficie en la monocapa, encontrándose

una gran variedad de estados de agregación bidimensionales análogos a los

existentes en tres dimensiones.

Se define como presión superficial a la diferencia entre la tensión

superficial de la superficie de la subfase líquida pura, 0, y la tensión cuando la

superficie está cubierta con una monocapa de material adsorbido. .

0 [II.2]

En una monocapa, el término presión superficial (π) posee una

correspondencia con la presión (P) en tres dimensiones. La presión superficial

es una presión distribuida sobre el espesor de la película de material esparcido

en la monocapa, , siendo éste del orden de 1 nm generalmente.


)/()(

)/( 2mNPm

mN

[II.3]

El dispositivo utilizado en el estudio de estas monocapas es la balanza

de Langmuir, que permite la medida de la presión superficial en función del

área disponible a una temperatura constante. De este modo, se obtienen las

isotermas de Langmuir en las que se observan los distintos estados de

agregación que pueden existir en una monocapa.

Para materiales de bajo peso molecular, la isoterma π-A puede presentar

distintos estados de agregación cuasi-bidimensionales a medida que disminuye

el área disponible. No en todas las isotermas están presentes estos tipos de

transiciones o estados de agregación cuasi-bidimensionales. En la Figura II.3 se

muestra una isoterma ideal en la que se representan los estados posibles más

frecuentes.


Figura II.3. Isoterma de Langmuir típica de un tensioactivo insoluble, donde se muestran los

distintos estados de agregación que pueden encontrarse en una monocapa.

En la región correspondiente a elevados valores de área, las moléculas

de tensioactivo están muy alejadas unas de otras interaccionando muy

débilmente. Esta región se denomina región gaseosa, G, por analogía con los

sistemas en tres dimensiones, y obedece a ecuaciones de estado análogas a las

de los gases.

Las regiones de líquido expandido, LE, y líquido comprimido, LC,

corresponden a fases líquidas bidimensionales. La transición entre las fases LE

y LC es debida a las interacciones atractivas entre las moléculas de la

monocapa. No todas las moléculas que forman monocapas bidimensionales

presentan los dos estados líquidos, sin embargo, en los casos en que esto

ocurre, la fase expandida aparece a presiones inferiores y mayores áreas. A

altas presiones, pueden llegar a aparecer incluso fases sólidas, S. Una mayor

reducción del área conduce al colapso de la monocapa formándose multicapas

Coexistencia G-LE

Coexistencia LE-LC

Colapso

LC

G

LE

Área por molécula

S


y finalmente estructuras tridimensionales no homogéneas.62 La estructura de

estas fases dependerá entre otros factores de la estructura del compuesto.

Una de las de las propiedades que permite caracterizar las monocapas,

es la elasticidad de equilibrio, 0, obtenida a partir de la isoterma de presión

superficial mediante la siguiente ecuación:63

TTA

ln0 [II.4]

Los valores de la elasticidad de equilibrio interpretan la formación de

las distintas fases superficiales.64, 65 Valores de elasticidad de equilibrio

inferiores a 50 mN m-1 corresponden a líquidos expandidos (LE), entre 100 y

250 mN m-1 a fases de líquido condensado (LC) y superiores a 1000 mN m-1 a

fases sólidas (S). La elasticidad se interpreta como la respuesta de la monocapa

a una deformación y proporciona información sobre el estado conformacional

de ésta.

Dos de los factores que más influyen en la morfología de las isotermas

π-A son la estructura molecular del compuesto y el tipo de subfase. Respecto a

la estructura, lo primero que hay que tener en cuenta es que sólo aquellos

materiales que contienen 12 o más átomos de carbono pueden formar

monocapas insolubles de tipo Langmuir. Un aumento del número de átomos de

carbono conduce a la aparición de una mayor variedad de fases líquidas66 y de

fases sólidas.67 Asimismo, la mayor o menor polaridad del grupo cargado de la

molécula modifica su interacción con el agua, lo que influye en la forma de la

isoterma.68

Entre las propiedades que mayores cambios producen en la estructura

de las monocapas, destacan el pH, la temperatura y la adición de electrolitos. El


cambio en el pH de la subfase influye de una manera especial cuando el

tensioactivo empleado tiene grupos capaces de ionizarse, como son los grupos

ácidos.69 En estos casos existen intervalos de pH en los que las moléculas se

encuentran totalmente ionizadas, lo que favorece su disolución en la interfase

obteniéndose monocapas más expandidas.70

Las transiciones de fase por su parte, están muy influenciadas por la

temperatura de la subfase, de modo que, a medida que aumenta la temperatura

las zonas de coexistencia de fases se desplazan a presiones mayores llegando

incluso a desaparecer cuando la temperatura es lo suficientemente elevada.71

Otros factores que afectan a la estructura de la monocapa y por tanto,

influyen en la forma de la isoterma, se derivan de la metodología empleada

para la obtención de la misma. Para comprobar si el modo en que se obtiene la

monocapa afecta a la isoterma, se registra la presión superficial durante un

periodo de tiempo, manteniendo el área constante después de una

compresión.72 En la mayoría de los casos, la monocapa no alcanza el equilibrio

tras la compresión de manera instantánea, sino que requiere un cierto tiempo

para alcanzar la situación de equilibrio. Otra forma de comprobar la estabilidad

de la monocapa es prepararla por adición. En este caso, para modificar la

densidad de moléculas adsorbidas se van adicionando distintos volúmenes de la

disolución de esparcimiento (spreading) y tras unos minutos en los que

evapora el disolvente se mide la tensión superficial hasta que ésta alcance un

valor constante. La comparación de esta isoterma con la obtenida por

compresión con barreras permite concluir si la monocapa formada es o no

estable.

La inestabilidad de la monocapa puede asociarse a diferentes factores: a

la disolución lenta de la monocapa en la subfase, a cambios en la orientación

de las moléculas, y a fenómenos de agregación en la superficie. Otra forma de


comprobar la estabilidad es realizando experimentos de histéresis, donde la

monocapa se comprime hasta una determinada presión o área y expandiendo la

monocapa posteriormente hasta el estado inicial. Incluso en monocapas

estables se observan curvas de histéresis y se atribuyen a una diferencia en la

organización de las moléculas en los procesos de compresión-expansión o a la

formación de dominios en el proceso de compresión que permanecen cuando

se regresa al estado inicial. Para monocapas poco estables sometidas a ciclos

continuos de compresión-expansión las sucesivas isotermas se desplazan hacia

áreas más pequeñas.73 Asimismo, los posibles dominios formados dependen de

la presión superficial a la cual se realiza la compresión.74

Efecto de subfases iónicas sobre las monocapas

Como se ha comentado, la adición de electrolitos en la subfase juega un

papel importante en la estabilidad de las monocapas. Este efecto es más

acentuado en el caso de iones multivalentes. En general, la formación de

complejos entre los iones metálicos y la cabeza polar de los tensioactivos

origina monocapas más condensadas.75 En el caso de iones divalentes, éstos

interaccionan con los grupos ácido (-COOH) dependiendo de su

electronegatividad, de modo que los iones con alta electronegatividad

interaccionan de forma covalente mientras que, en los de baja

electronegatividad la interacción tiene un origen electrostático. El distinto tipo

de interacción afecta al empaquetamiento de las cadenas del tensioactivo.76

Recientemente, algunos trabajos encontrados en bibliografía muestran

la influencia de la serie Hofmeister de iones sobre la organización de

monocapas iónicas en la interfase aire-agua.77, 78

La serie Hofmeister de aniones (Esquema II.1) fue establecida por

primera vez en 1888, y tiene su origen en la habilidad de varios iones para

precipitar proteínas en disolución.79


-4

--3

---24

-24

-3756 ClO INOBrClHPOSOOHC

Esquema II.1. Serie Hofmeister de aniones.

En la serie de aniones, cuyos efectos son generalmente más

pronunciados que para la serie de cationes, los iones de la derecha, conocidos

como caotrópicos, desestabilizan la estructura plegada de las proteínas y dan

lugar a su solubilización. Por otro lado, los iones a la izquierda de la serie

denominados cosmotrópicos, son iones fuertemente hidratados y tienen un

efecto estabilizante, precipitando proteínas y macromoléculas en disolución.80

En la actualidad el efecto de la serie Hofmeister se ha extendido a una

gran variedad de fenómenos, incluyendo el plegamiento de proteínas,

solubilidad de sales, actividad de electrolitos, medidas de pH, potencial zeta,

concentración micelar critica, punto de nube de tensioactivos no iónicos,

interacción de iones con micelas, proteínas y membranas, transporte a través de

membranas, fuerzas moleculares, estabilidad coloidal, etc.81

El efecto Hofmeister fue explicado originalmente por la capacidad de

los iones para formar (cosmotrópicos) o romper (caotrópicos) enlaces de

hidrógeno.81-84 Esta idea ha suscitado cierta controversia por los resultados

obtenidos en recientes experimentos77, 80 y algunos estudios teóricos85 que

ponen de manifiesto la importancia de las fuerzas de dispersión en el orden de

la serie Hofmeister.85, 86

Monocapas mixtas de tensioactivos y polímeros

El estudio de la interacción entre tensioactivos y polímeros ha sido

objeto de un elevado número de trabajos durante las últimas décadas. El

creciente interés en estos sistemas se debe a su uso en gran variedad de


aplicaciones industriales incluyendo farmacéuticas, cosméticas, en industria de

detergentes y recuperación de residuos oleosos.87 La razón de utilizar mezclas

de tensioactivos y polímeros es que rebaja la concentración micelar crítica

respecto a los tensioactivos puros,88 así es necesaria una cantidad de

tensioactivo menor para conseguir unas condiciones óptimas de trabajo. Por

otra parte la presencia de polímeros en disoluciones acuosas o monocapas de

tensioactivos modifican las propiedades del sistema.

La mayor parte de los estudios realizados con mezclas de tensioactivos

y polímeros en los últimos años se han realizado sobre mezclas de

tensioactivos catiónicos y polímeros aniónicos en disolución. Principalmente la

interacción entre tensioactivos catiónicos derivados de bromuro de

alquiltrimetilamonio y polímeros como los sulfonatos de poliacrilamida,

poliestiren sulfonato (PSS), ADN o xantanos son algunas de las mezclas más

estudiadas.89-92

Las monocapas en la interfase aire-agua se consideran un sistema

modelo para el estudio de interacciones moleculares y estructuras en sistemas

organizados, por lo que se pueden utilizar para el estudio de monocapas mixtas

como las formadas por tensioactivos y polímeros. Hasta el momento se han

llevado a cabo pocos estudios con sistemas formados por tensioactivos y

moléculas insolubles, como las mezclas de tensioactivo DODAB y polímero

PMAO93 o tensioactivos geminales y ácido esteárico.94

II.4. Películas de Nanopartículas

Las nanopartículas están constituidas por un núcleo polar con una

superficie que puede ser hidrófila o hidrofóba. Las NPs hidrófobas se utilizan

como moléculas superficialmente activas para la preparación de monocapas de

Langmuir, mientras que las hidrófilas pueden ser dispersadas en la subfase

acuosa e incorporadas a la monocapa por interacciones atractivas con las


moléculas anfifílicas adsorbidas en la interfase aire-agua. De este modo, las

NPs hidrófobas forman monocapas de Langmuir por sí mismas, mientras que

las hidrófilas necesitan moléculas anfifílicas que las dirijan hacia la interfase.

Un método alternativo para obtener nanopartículas hidrófobas a partir de las

hidrófilas, y por tanto sus monocapas en la interfase aire-agua, consiste en

recubrir su superficie con cadenas alquílicas, bien por quimisorción95-97 o por

adsorción física.98-100

Monocapas de Langmuir de Nanopartículas

Centrando la atención en las NPs hidrófobas, concretamente en los QDs

de CdSe recubiertos con moléculas de óxido de trioctilfosfina, se han descrito

las isotermas de presión superficial-área de sus monocapas que presentan un

comportamiento característico.101 Estas isotermas presentan una meseta con

una presión superficial próxima a cero, donde los QDs se encuentran

probablemente formando pequeñas islas sobre la subfase. A medida que la

presión superficial va aumentando, las islas comienzan a interaccionar,

uniéndose entre sí hasta formar una monocapa que eleva la presión superficial

hasta alcanzar un valor próximo a ~ 65 mN m-1 donde se produce el colapso de

la monocapa. La isoterma presenta una fuerte histéresis cuándo se realizan

ciclos de compresión y expansión, indicando que las películas son rígidas y las

interacciones entre los QDs en la interfase aire-agua son atractivas. Las

monocapas obtenidas son estables puesto que la presión superficial se mantiene

constante tras siete horas a la presión superficial de 30 mN m-1, a partir de ese

momento se produce un descenso en la presión superficial próximo a 10% , que

se atribuye fundamentalmente a la agregación de los QDs en la interfase.101 En

los QDs de CdSe hidrófobos, se ha observado que las interacciones ligando-

ligando juegan una papel fundamental en el ensamblaje y en el

comportamiento dinámico de las monocapas, observándose que los ligandos

más cortos dan lugar a monocapas más empaquetadas. Otros factores que


influyen en las propiedades de las monocapas de QDs son: el tamaño de

partícula101, 102, su composición, la naturaleza del ligando, y el medio en el que

se encuentran.12

Se ha descrito en bibliografía que las propiedades y el comportamiento

de las monocapas de NPs dependen del grado de hidrofobia superficial, así

como del ligando que las recubre. Por tanto, cuando las NPs se adicionan en la

interfase aire-agua, la débil interacción con la interfase acuosa da lugar a la

formación de defectos o agregados 3D en la monocapa.100, 103, 104 Para

solucionar este inconveniente una posible opción es modular el carácter

hidrófobo de las NPs utilizando sistemas mixtos con polímeros o tensioactivos

en la interfase.

Se han propuesto dos enfoques en la preparación de monocapas mixtas

con NPs. Una de las metodologías consiste en utilizar mezclas de NPs de

distintos tamaños, o incluso de distintos tipos para formar arquitecturas

complejas denominadas heteroestructuras.14 Las heteroestructuras formadas

por NPs se han propuesto para crear materiales multifuncionales combinando

de forma independiente componentes funcionales a medida.105 La segunda

opción es la adición de tensioactivos12, 106-111 o polímeros17, 43, 110, 112, e incluso

mezclas de ambos113 con el objetivo de controlar el ensamblaje de las NPs y

desarrollar materiales híbridos.105 El tratamiento termodinámico de estas

mezclas es similar a las mezclas de moléculas anfifílicas. El estudio de las

monocapas mixtas se basa en la obtención del área media y el comportamiento

del valor de la presión de colapso de la monocapa. De este modo, si la

representación del área media con la composición se desvía de la linealidad,

esto sugiere que el autoensamblaje de los componentes es sinérgico, y por tanto

la presencia de un componente influye en la conformación superficial del

otro.112 La variación de la presión de colapso de las monocapas mixtas con la

composición, al igual que en mezclas de compuestos anfifílicos, es otro


parámetro que proporciona información de la miscibilidad de los componentes.

Si la presión superficial de colapso de la monocapa de NPs se mantiene

constante, los dos componentes se consideran inmiscibles y existe una

interdigitalización mínima entre los ligandos de las NPs y las moléculas

adicionadas. Sin embargo, un cambio en la presión superficial de colapso de la

monocapa puede atribuirse a la miscibilidad e interdigitalización de los

componentes en la interfase.107

Además de las isotermas de presión superficial, para obtener

información de las monocapas de NPs en la interfase aire-agua, se encuentran

descritas en bibliografía medidas de potencial superficial y de propiedades

reológicas. Las medidas de potencial superficial100 permiten obtener

información sobre la morfología de la película, y muestran que a áreas

superficiales grandes los QDs están distribuidos aleatoriamente en la interfase,

y como consecuencia la resultante del potencial superficial es cero. Cuando la

monocapa de QDs se comprime a menores áreas, la parte hidrófoba de los QDs

comienza a sobresalir del agua, y el cambio en el momento dipolar produce un

rápido aumento del potencial superficial en el punto donde aumenta la presión

superficial. A partir de ese momento, la monocapa se encuentra en un estado

similar a una fase condensada donde los QDs comienzan a interaccionar entre

ellos, y el potencial superficial aumenta ligeramente, a pesar de que el cambio

en la presión superficial es elevado. Esto puede deberse a la reorientación de

los QDs para maximizar la exposición hacia el aire de la parte hidrófoba del

ligando. El valor máximo del potencial superficial se alcanza en la región de

fase sólida de la isoterma, donde se produce un cambio en la pendiente en la

curva de potencial superficial.100


II.5. Microbalanza de Cristal de Cuarzo para la caracterización de películas

delgadas

El mecanismo de transducción de señal de la técnica de QCM se basa

en el efecto piezoeléctrico de cristales de cuarzo, descubierto por primera vez

en 1880 por los hermanos Curie, a través de un efecto de presión sobre

cuarzo.114 Posteriormente, Lord Rayleigh mostró que un cambio en la inercia

de un cristal en vibración altera su frecuencia de resonancia, f. 115 La posterior

mejora de la estabilidad del cristal, mediante el uso de resonadores eléctricos 116 y cristales con corte AT estables a temperatura ambiente,117 permitieron

avanzar en el desarrollo de la técnica. En 1959, la técnica de QCM fue utilizada

por primera vez a modo de sensor cuando Sauerbrey describió una relación

lineal entre el descenso de la frecuencia de resonancia de un cristal de cuarzo

oscilante y la masa de metal depositado.118 Inmediatamente surgieron

aplicaciones basadas en la medida de la masa unida a la superficie del cristal a

partir de especies en fase gaseosa en contacto con el cristal. Surgieron así

algunos de los sensores químicos más prematuros para la detección de

humedad y compuestos orgánicos volátiles,119, 120 contaminantes

ambientales,121 y detectores de cromatografía de gases.122 En la década de

1980, se desarrolló la QCM para muestras en disolución como una nueva

técnica basada en osciladores y capaz de medir cambios en la frecuencia de

vibración relacionados con cambios en la viscosidad y densidad en medios

líquidos con elevada amortiguación.123, 124 En 1996 se patenta la Microbalanza

de Cristal de Cuarzo con monitorización de Disipación, QCM-D, con el diseño

actual.

El reciente éxito de la técnica de QCM-D se debe a la posibilidad de

medir cambios de masa con una elevada sensibilidad relacionados con

fenómenos en la interfase líquido-sólido, además de registrar simultáneamente


la disipación de energía o el comportamiento viscoelástico de la masa

depositada sobre el electrodo metálico de la superficie del cristal de cuarzo.

Entre sus ventajas cabría destacar las siguientes. (1) Se trata de una

técnica de detección de masas que elimina la necesidad de una etapa de

marcaje específico en el mecanismo de transducción de la señal. (2) La

transducción de la señal a través del mecanismo piezoeléctrico opera

adecuadamente en medios en disolución complejos y a menudo ópticamente

opacos. (3) La técnica es capaz de detectar cambios sutiles en la interfase

sólido-líquido que se pueden deber a cambios en la densidad o viscosidad en la

disolución, cambios viscoelásticos en el material unido a la interfase o cambios

en la energía libre superficial. (4) La técnica de microbalanza electroquímica

de cristal de cuarzo (EQCM) es una variante que permite aplicar un potencial

sobre el electrodo de metal, creando por tanto una celda electroquímica, que

permite seguir reacciones electroquímicas o medir procesos que envuelven

transferencia de electrones. (5) Por último añadir que la técnica es

relativamente sencilla de utilizar, y el equipamiento básico de bajo coste.125

Cuando el cristal de cuarzo está inmerso en una disolución o un gas,

éste es excitado para oscilar a una frecuencia de resonancia fundamental (5

MHz). Cuando se adsorbe un material sobre la superficie del cristal, la

frecuencia de resonancia disminuye con el aumento de la cantidad de masa

adsorbida en el cristal. Si la masa adsorbida está igualmente distribuida en la

superficie del sensor, la película es suficientemente rígida para no tener energía

de disipación y delgada para poseer una fricción interna despreciable, y además

es pequeña en comparación con la masa del cristal, la variación de frecuencia

(f), es proporcional a la masa adsorbida por unidad de superficie (m) según

el modelo de Sauerbrey:118


fC

m

[II.5]

donde m es la masa depositada sobre el sensor, C es la constante de

sensibilidad de masa dependiente del cristal utilizado (17.7 Hz-1 ng cm-2 para el

cristal utilizado), f es el cambio de frecuencia del cristal de cuarzo al

adsorberse material y ν es el armónico utilizado en el cálculo (ν = 1,3, 5…13).

También es posible obtener una estimación del espesor (heff) de la capa

adherida:

effeff

mh

[II.6]

donde ρeff es la densidad efectiva de la película.

Sin embargo, si la capa adsorbida presenta cierto carácter viscoso y no

sigue la oscilación rígidamente, la energía de disipación en la oscilación va a

cambiar. En los casos en los que las películas no son completamente rígidas y

causan disipación de energía la ecuación de Sauerbrey no es válida. Para

obtener un cambio de masa preciso y poder obtener información de las

propiedades estructurales de las películas adsorbidas se debe tener en cuenta la

energía de disipación. La disipación se describe como la pérdida de energía de

un sistema oscilatorio durante el periodo de oscilación. El factor de disipación

se define como:

almacenada

perdida

E

ED

2 [II.7]


donde Eperdida es la energía disipada durante un ciclo de oscilación y Ealmacenada

es la energía total almacenada en el oscilador. D es la suma de toda la energía

disipada en el sistema oscilatorio. En 1966, Spencer y Smith126 encontraron

que la amplitud de la vibración de un cristal de cuarzo decae como una

sinusoidal atenuada exponencialmente cuando el oscilador de cristal

piezoeléctrico se desconecta. La relación entre la amplitud y el tiempo del

decaimiento se describe según la forma:

sen 2 [II.8]

donde A es la amplitud , t es el tiempo, τ es el tiempo de decaimiento, f es la

frecuencia de resonancia, y φ es el ángulo de fase. El sistema de QCM-D puede

determinar el tiempo de decaimiento y la frecuencia de resonancia (f) de la

señal de tensión sinusoidal amortiguada exponencialmente sobre el cristal,

causada al desconectar el voltaje aplicado al oscilador piezoeléctrico. El factor

de disipación, D, es inversamente proporcional al tiempo de decaimiento, τ,

según la relación:

D [II.9]

donde f es la frecuencia de resonancia y τ es el tiempo de decaimiento.

Registrando la amplitud durante el decaimiento y ajustando numéricamente los

datos a la ecuación II.9, la frecuencia de resonancia y el factor de disipación

del cristal se pueden medir simultáneamente.

Los datos de f y D que se obtienen para los diferentes armónicos se

pueden utilizar para calcular las propiedades viscoelásticas de la capa

adsorbida a través de un modelo viscoelástico. El modelo viscoelástico

utilizado para estimar las propiedades estructurales de películas blandas


adsorbidas con medidas de QCM-D, es el modelo de Kelvin-Voigt. Este

modelo representa la película como un amortiguador y un muelle conectados

en paralelo en el que el amortiguador se relaciona con el componente viscoso y

el muelle con el elástico.127 La viscoelasticidad se relaciona con un módulo

complejo G* a través de la expresión:

∗ 2 [II.10]

donde es el módulo de almacenamiento y es el módulo de pérdida. Los

datos de f y D se interpretan según el modelo de Kelvin-Voigt para estimar

las propiedades viscoelásticas de la capa adsorbida. Como se muestra en el

esquema de la Figura II.4, el modelo asume que la capa adsorbida cubre

homogéneamente y con espesor uniforme toda el área activa.

Figura II.4. Esquema del modelo viscoelástico de Kelvin-Voigt para la adsorción de una

película sobre la superficie de un cristal de cuarzo.

Las propiedades viscoelásticas tales como la densidad, viscosidad,

elasticidad y espesor de la capa adsorbida pueden correlacionarse con f y el

factor de disipación obtenidos en la QCM-D, sobre la base del modelo de

Kelvin-Voigt.128 De acuerdo con la investigación de Voinova et al.128, la

relación entre la respuesta de la QCM-D y las propiedades viscoelásticas de la

película blanda adsorbida se explican con las siguientes ecuaciones:


Δ

2 [II.11]

Δ

2 [II.12]

donde y son la densidad y espesor del cristal. es la viscosidad del

líquido y la densidad del líquido. es la frecuencia angular de la oscilación.

En este modelo la capa adsorbida está representada por cuatro parámetros: la

densidad ( ), viscosidad ( ), elasticidad de cizalla ( ) y espesor ( ). Entre

ellos, el espesor de la capa adsorbida se obtiene dividiendo la masa total por la

densidad de la capa, que generalmente se asume como un valor promedio entre

la densidad del compuesto sólido y la del fluido.129 También se considera que

el cristal de cuarzo de la QCM-D es puramente elástico, y que la disolución

que lo rodea es puramente viscosa y newtoniana.

La técnica de QCM-D es una técnica de detección de masas sencilla,

rentable y de alta resolución que permite un amplio margen de detección que

abarca desde el estudio del recubrimiento superficial de películas formadas por

moléculas pequeñas de polímero y tensioactivo, a masas mucho mayores como

pueden ser biopolímeros complejos, macromoléculas o incluso células. En

consecuencia sus aplicaciones incluyen el estudio de sistemas muy variados en

cuanto a tamaño y características como son sistemas micelares, monocapas

autoensambladas, sensores químicos, películas formadas por la técnica de

ensamblaje capa a capa, layer-by-layer, y películas de polímeros o

biopolímeros.125 Algunas de sus aplicaciones recientes son el estudio de

sistemas bioquímicos complejos, la creación de sensores de proteínas y de

ácidos nucleicos, el estudio de células vivas y aplicaciones como biosensores

celulares.125, 130


El estudio de nanopartículas con QCM-D es un área de investigación

con una influencia creciente por sus numerosas aplicaciones, puesto que

permite medir la cinética de autoensamblaje de nanopartículas, la masa y el

espesor de las películas, las propiedades estructurales, y comparar el proceso

de autoensamblaje bajo diferentes condiciones experimentales como la

temperatura, el tipo de disolvente, la concentración o el tipo de nanopartícula.

La modificación de películas delgadas poliméricas con nanopartículas para

formar nanomateriales es una metodología que permite modular las

propiedades estructurales de las películas para conseguir mejores propiedades y

una mayor estabilidad. La QCM-D permite registrar los cambios en el espesor

y en la rigidez de la película debido a la adsorción de las nanopartículas.

Propiedades como el espesor, viscosidad, módulos de pérdida y

almacenamiento de nanomateriales pueden medirse a tiempo real.

Por tanto, existen numerosos trabajos que utilizan la técnica de QCM-D

para investigar nanomateriales adsorbidos como películas ultra-delgadas.131-133

El ensamblaje en multicapas de nanopartículas (sílica o magnetita) y glucosa

oxidasa sobre partículas de látex cargadas ha sido estudiado con éxito mediante

QCM-D.134 Cabe destacar también la aplicación de las medidas de QCM-D

para realizar un seguimiento de la adsorción de nanopartículas de TiO2 sobre

sílice, y evaluar su potencial de contaminación en recursos naturales como

aguas subterráneas.135 Las investigaciones del ensamblaje de nanopartículas

sobre superficies poliméricas se han centrado en el estudio de las

características termodinámicas y cinéticas del proceso de adsorción.136 Por

ejemplo, la adsorción de hidrosol de oro (18 nm diámetro) sobre películas de

poliestireno y poli(2-vinil piridina) sugieren que la adsorción de las

nanopartículas sobre estas superficies es irreversible.137 Se ha utilizado la

técnica de QCM-D para supervisar in situ la adsorción de nanopartículas de

CoFeO4 cargadas positivamente sobre la superficie del sensor de oro, la


superficie del sensor funcionalizada con ácidos carboxílicos y grupos

sulfonatos, y para comparar con la adsorción cuando el sensor se recubre con

capas de poliestireno sulfonato sódico (PSS).138

Centrándonos en los estudios realizados con QDs, se han obtenido los

parámetros cinéticos y termodinámicos de QDs de CdSe-ZnS (3.5 nm) a partir

del tratamiento de los datos de QCM-D utilizando el modelo de adsorción de

Langmuir.139 Los QDs funcionalizados con un grupo ácido en su superficie se

adsorben sobre el sensor cubierto con monocapas autoensambladas mediante

moléculas con distintos grupos funcionales: -NH2, -CH3 y -COOH. Además se

estudia el efecto del pH sobre la adsorción de las nanopartículas en la

superficie. En el caso de QDs hidrófobos se ha estudiado con QCM-D la

adsorción de una capa de QDs de CdSe-ZnS, modificada posteriormente con

moléculas anfifílicas que hacen posible la adsorción posterior de proteínas, y

sobre estas de NPs de oro, con el objetivo de su aplicación como biosensores.

La técnica de QCM-D permite confirmar y cuantificar la adsorción de los

distintos componentes para estudios de transferencia de energía entre los QDs

y las NPs de oro.15

II.6. Bibliografía

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Métodos y Técnicas Experimentales 57 _____________________________________________________________________________________________________________________

III. Métodos y Técnicas Experimentales

En este capítulo se detallan las características de los reactivos

empleados, junto con la metodología, las condiciones experimentales y la

instrumentación que han sido necesarias para el desarrollo del presente trabajo.

III.1. Materiales

Síntesis del tensioactivo geminal 18-2-18

El tensioactivo utilizado es el tensioactivo geminal catiónico dibromuro

de etil-bis (dimetil octadecil ammonio) (18-2-18). Al no ser un tensioactivo

comercial se llevó a cabo su síntesis. En la Figura III.1 se presenta su estructura

química, junto con su estructura calculada por mecánica molecular.

Figura III.1. Estructura del tensioactivo geminal catiónico 18-2-18 y estructura calculada por

mecánica molecular MM2 utilizando el software Chem 3D Ultra 9.0.

El tensioactivo geminal catiónico, 18-2-18, ha sido sintetizado

siguiendo el método experimental descrito en bibliografía1, con algunas

modificaciones para garantizar un elevado grado de pureza necesario para

N

CH3

H3C CH2 2

CH2 17

CH3

Br

N

CH3

CH3

CH2 17

CH3

Br

25 Å

58 Métodos y Técnicas Experimentales _____________________________________________________________________________________________________________________

llevar a cabo estudios superficiales y evitar las interferencias que puedan

producir las impurezas en sus propiedades superficiales.

El compuesto se prepara por cuaternarización de N, N, N´, N´-

tetrametiletilendiamina (99%, Sigma-Aldrich®) con 1-bromooctadecano

(≥97%, Sigma-Aldrich®) en etanol a reflujo y agitación continua durante 70

horas (Figura III.2). El residuo se recristaliza a partir de mezclas de

cloroformo-acetonitrilo y posteriormente se purifica mediante columna

cromatográfica de gel de sílice, utilizando acetona y metanol en proporción 7-3

como eluyente. Una de las modificaciones introducidas al método descrito en

bibliografía consiste en la purificación por columna cromatográfica, ya que en

el método original la purificación se realizaba mediante recristalizaciones

sucesivas con cloroformo y acetato de etilo.

Figura III.2. Esquema de la síntesis del tensioactivo geminal catiónico 18-2-18.

La caracterización del tensioactivo geminal obtenido se realiza por

resonancia magnética nuclear 1H RMN, 13C RMN y espectrometría de masas

EtOHNH3C

H3C

NCH3

CH3

N

H3C

H3C

NCH3

CH3

CH2

e

f

aBr

dc

2

2 C18H37Br +

bBr

1-Bromooctadecano N,N,N',N'-tetrametiletilendiamina


(HPLC/MS). En la Figura III.3 se identifican las señales del espectro 1H RMN

siguiendo la notación utilizada en la Figura III.2.

Figura III.3. Espectro de 1H RMN del tensioactivo sintetizado.

El cloroformo, empleado como disolvente para la deposición del

tensioactivo en la subfase, es de calidad PAI, filtrado y suministrado por la

casa comercial Panreac Química®.

Síntesis de CdSe-TOPO QDs

Los puntos quánticos utilizados, QDs, son nanocristales de CdSe

estabilizados con óxido de trioctilfosfina (TOPO), de marcado carácter

hidrófobo. La síntesis se realizó siguiendo el método propuesto por Yu y

Peng2. Este método parte de óxido de cadmio y selenio en polvo como

precursores. En primer lugar se preparó la disolución precursora de selenio

mezclando 0.030 g de Se (Se, 99.99%, Sigma-Aldrich®) y 0.4 ml de

trioctilfosfina (TOP, 90%, Sigma-Aldrich®) en 5 ml de octadeceno. Esta


disolución se calienta y agita para facilitar la disolución del selenio, dando

lugar a una solución incolora de seleniuro de trioctilfosfina (TOPSe), que se

almacena a temperatura ambiente en un recipiente opaco herméticamente

cerrado y puede utilizarse para cinco síntesis.

La síntesis se lleva a cabo introduciendo en un matraz redondo de tres

bocas 0.013 g de CdO (99.99%, Sigma-Aldrich®), 0.6 ml de ácido oleico

(90%, Sigma-Aldrich®) y 10 ml de octadeceno. La disolución contenida en el

balón se calienta con un condensador a reflujo en atmósfera de Argón, y en

agitación como se muestra en la Figura III.4. La mezcla reaccionante se

calienta hasta 210ºC obteniendo una disolución transparente, momento en el

que se inyecta 1 ml de la disolución de TOPSe preparada anteriormente. La

nucleación y crecimiento de los QDs se controla a través de la temperatura y el

tiempo de reacción. Se observa un cambio de color en la disolución con el

tiempo que va desde amarillo a rojo a medida que aumenta el tamaño de los

QDs, tal y como se observa en las muestras recogidas a distintos tiempos

(Figura III.4). Los QDs se extraen en forma de polvo mediante una

precipitación selectiva de tamaño (centrifugación a 1000 rpm) con acetona y

secados a vacío. Posteriormente se disuelven en el disolvente empleado,

cloroformo.


Figura III.4. Fotografías del montaje experimental de la síntesis de QDs. En el recuadro

aparecen varios viales que muestran la evolución de la mezcla reaccionante con el tamaño de

los cristales, de amarillo (1.8 nm de diámetro) a rojo (3.4 nm de diámetro).

Para comprobar que se han obtenido QDs recubiertos con TOPO, se

comparan los espectros de infrarrojo FTIR obtenidos para los QDs con el

espectro del TOPO. En la Figura III.5 se recogen ambos espectros, y se observa

la coincidencia entre los picos correspondientes al espectro del TOPO y al

espectro de los QDs. Se observa un desplazamiento del pico que aparece a

1144 cm-1 correspondiente al enlace P=O. Se ha demostrado que este pico se

desplaza entre 20 y 60 cm-1 a valores más bajos respecto del espectro del

TOPO, debido a la unión con el CdSe.3 Por tanto, el pico centrado en 1108 cm-

1 del espectro de los QDs puede atribuirse a las moléculas de fosfonato unidas a

la superficie de las nanopartículas. De este modo confirmamos la presencia de

los ligandos fosfonato en la superficie de las nanopartículas. Otros autores4

revelan que las nanopartículas están recubiertas con ligandos derivados de

trioctilfofonato que permanecen enlazados a la superficie a través de su unión

con el Cd2+ después de los procesos de precipitación y lavado de las

nanopartículas.


1600 1400 1200 10000

20

40

60

80

100

CH3

P-O

% T

/ u.

a.

Número de onda / cm-1

QDTOPO

TOPO

Figura III.5. Espectros FTIR de TOPO y QDs recubiertos de TOPO (QDTOPO). Por motivos

comparativos, se ha desplazado la escala %T, y el espectro de QDTOPO se ha ampliado.

En el caso de los QDs, el confinamiento cuántico determina las

propiedades dependientes del tamaño de las nanopartículas. Las propiedades de

absorción y emisión de las nanopartículas son resultado de su band gap que

depende del tamaño. Además, el coeficiente de extinción del primer pico

excitónico de absorción depende del tamaño de la nanopartículas. Este

coeficiente de extinción es independiente de la naturaleza del ligando, del

índice de refracción del disolvente, rendimiento cuántico de fluorescencia y

método de síntesis; por lo que la concentración de los quantum dots se puede

determinar a partir de medidas de absorbancia en disolución. Para ello se

obtienen los espectros de absorción UV-Visible en el espectrofotómetro

Shimadzu UV-2401PC.

A partir del espectro de absorción, el tamaño de las nanopartículas se

determina mediante una expresión empírica que relaciona el diámetro de la

nanopartícula y el coeficiente de extinción con la posición del pico de

absorción.5


59.60816 0.54736λ 1.8873x10 λ

2.85743x10 λ 1.62974x10 λ [III.1]

donde D es el diámetro de la nanopartícula y λ la longitud de onda del máximo

del primer pico excitónico de absorción.

ε 155507 6.67054x10 .

[III.2]

donde ε y E1s son el coeficiente de extinción molar y la energía del primer

pico excitónico de absorción.

En la Figura III.6 se muestran los espectros de absorción de

disoluciones de QDs de distintos tamaños en cloroformo. El diámetro de las

nanopartículas sintetizadas se determina a partir de la posición del máximo del

espectro de absorción,5 obteniéndose un valor de 3.41 ± 0.05 nm. Este tamaño

de QDs es el que permite un mayor control en la síntesis utilizada, ya que el

tamaño y población se controlan a través del tiempo de reacción. De este

modo, el máximo diámetro y población se obtienen a tiempos largos de

reacción.


27 Å

400 500 600 700

Abs

orba

ncia

/ u.

a.

/ nm

3.4 nm

2.8 nm

2.2 nm

Figura III.6. Espectro de absorción de varias disoluciones de QDs de CdSe en cloroformo. Se

indica el diámetro de las nanopartículas.

Otros materiales utilizados

El polímero empleado en la preparación de monocapas mixtas con el

tensioactivo geminal 18-2-18 es el poli(anhídrido maleico-alt-1-octadeceno)

(PMAO) cuya estructura se presenta en la Figura III.7.

Figura III.7. Estructura del polímero PMAO y estructura calculada por mecánica molecular

MM2 utilizando el software Chem 3D Ultra 9.0.


El polímero forma monocapas insolubles y estables de tipo Langmuir

cuyas propiedades se estudiaron en un trabajo anterior llevado a cabo por

nuestro grupo.6 El polímero ha sido suministrado por la casa comercial Sigma-

Aldrich®. Los datos suministrados por el fabricante indican que su masa

molecular es Mr: 40000, y posee 114 unidades monoméricas en su estructura.

El tensioactivo catiónico Bromuro de Dioctadecil Dimetilamonio,

(DODAB, pureza ≥98%) y el Tricloro Octadecil Silano (OTS, pureza ≥90%),

utilizados en el estudio de propiedades fotoluminiscentes de QDs soportados

sobre sólidos, fueron suministrados por la casa comercial Sigma-Aldrich®.

Todos los reactivos empleados en este trabajo, han sido sometidos a un

proceso de secado a vacío y una vez secos, se mantienen en un desecador

cerrado a vacío sobre cloruro cálcico, CaCl2.

El agua utilizada como subfase en las monocapas, calidad reactiva, está

desionizada a través del sistema Rios de Millipore® y posteriormente tratada

con un sistema Milli-Q de la misma casa comercial para la eliminación de la

materia orgánica. El agua obtenida contiene una cantidad de materia orgánica

inferior a 5 ppb y presenta una resistividad inferior a 18.2 cm-1.

Sustratos sólidos

Para la deposición Langmuir-Blodgett se han utilizado varios sustratos.

El sustrato empleado en cada caso se ha seleccionado en función de la técnica

experimental utilizada para la caracterización. Los sustratos empleados son

mica (muscovita) (AFM, SEM), obleas de silicio monocristalino

(Elipsometría), discos de cuarzo (FLIM) y rejillas de cobre cubiertas con

Formvar® (TEM).


La muscovita (mica) calidad V-1 fue suministrada por EMS (USA). La

superficie de la mica es exfoliada utilizando cinta adhesiva transparente

(Scotch® Tape) en el momento antes de su uso.

Obleas de silicio monocristalino, Si(100), suministradas por Siltronix

(Francia), tienen un diámetro de una pulgada, están pulidas por una cara y se

han utilizado sin tratamiento previo.

Los discos de cuarzo suministrados por TedPella (USA), son discos

pulidos que poseen un diámetro de una pulgada y un grosor de 1/8 de pulgada.

El procedimiento de limpieza utilizado para estos sustratos es el RCA.7 En

primer lugar, los discos se lavan con acetona (calidad PAI, Panreac®), etanol

(calidad PAI, Panreac®) y agua MilliQ. Se calienta a 70ºC una mezcla de agua

MilliQ y amoniaco (25% vol, Sigma Aldrich®) en proporción 5:1 (v/v), con un

volumen total 60 ml, y en ese momento se añaden 10 ml de peróxido de

hidrógeno (30% wt., Panreac®). Los discos se introducen en esta disolución

durante 15 minutos a 70ºC. Posteriormente los discos son lavados con

abundante agua MilliQ y secados.

Las rejillas de cobre recubiertas con Formvar®, utilizadas para la

técnica de TEM, son de la casa TedPella (USA).

III.2. Preparación de monocapas de Langmuir y procedimiento de estudio

Para la preparación de la monocapas se emplean disoluciones de los

distintos compuestos en cloroformo. La elección de este disolvente se debe a

que presenta buenas características de spreading sobre la interfase aire-agua

además de ser un buen disolvente de las moléculas orgánicas.8


Para asegurar la correcta limpieza del agua empleada como subfase se

mide la tensión superficial a distintas áreas, de modo que, si ésta difiere de la

prevista para la temperatura de trabajo, se cierran las barreras y se aspira la

interfase con una pipeta Pasteur de vidrio conectada a una bomba de agua

Oakton modelo WP-15-1 hasta conseguir un valor para la tensión superficial

del agua igual al tabulado para la temperatura de trabajo, con una precisión de

0.01 mN m-1.

La deposición de las moléculas sobre la interfase se lleva a cabo

mediante la adición de pequeños volúmenes (10-50 l) de la disolución

preparada utilizando una jeringa Hamilton de 50 l, en distintas zonas de la

interfase. Tras la adición se espera entre 20 y 30 minutos para asegurar la

evaporación del disolvente y la correcta formación de la monocapa (equilibrio

termodinámico).

En el estudio de propiedades de monocapas, la limpieza se convierte en

un aspecto definitivo, por lo que se hace imprescindible establecer un protocolo

de limpieza de la balanza. La cubeta se lava con agua y jabón neutro aclarando

con abundante agua. En el último aclarado se utiliza agua Milli-Q templada. A

continuación se limpia con acetona (calidad PAI) para eliminar los restos de

agua, cloroformo (calidad PAI) y de nuevo con acetona para eliminar los restos

de cloroformo, ambos reactivos suministrados por la casa comercial Panreac

Química®. Por último, se arrastran los restos de acetona con abundante agua

Milli-Q. Asimismo, al menos una vez a la semana antes de dicho protocolo, se

procede a su limpieza con Derquim de la casa Sigma-Aldrich, un sustituto de

mezcla crómica, compuesto de un agente oxidante, amonio peroxodisulfato

(NH4)2S2O8 (más del 90%), y otros ingredientes estabilizantes. El lavado de las

barreras se realiza con abundante agua y posterior aclarado con agua Milli-Q.


La placa Wilhelmy se quema con metanol para eliminar las posibles

sustancias adsorbidas. Una vez a la semana se debe limpiar utilizando una

disolución diluida de ácido clorhídrico (HCl).

III.3. Técnicas Experimentales

III.3.1. Balanza de Langmuir

El equipo empleado para el estudio de las monocapas insolubles es una

Balanza de Langmuir. De manera general, el equipo permite caracterizar las

monocapas de Langmuir midiendo diferentes propiedades físicas, como la

presión superficial y el potencial superficial en función del área disponible.

Para modificar el área se utiliza un sistema mecánico de barreras móviles, que

en este modelo se desplazan de forma simétrica. Por tanto, los elementos

básicos constituyentes de la balanza de superficies son: la cubeta, el sistema

mecánico de barreras móviles y la electrobalanza. En este trabajo se han

empleado dos modelos de balanza de superficies, el modelo Minitrough y el

Standard KSV2000-2 de la casa KSV Instruments LTD, obteniéndose

isotermas reproducibles en ambas. En Figura III.8 y Figura III.9 se muestran

ambos modelos.


Figura III.8. Balanza Minitrough de la casa comercial KSV Instrument LTD.

Figura III.9. Balanza Standard KSV2000-2 de KSV Instrument LTD.

La Balanza Minitrough consta de una cubeta de dimensiones efectivas

de 36.4 cm por 7.5 cm y un área disponible al colocar las barreras de 243 cm2.

La balanza modelo Standard KS2000-2 alberga un volumen de subfase mayor

debido al pozo situado en la cubeta, que hace posible la transferencia de

películas Langmuir-Blodgett sobre sustratos sólidos, gracias a un brazo


mecánico, dipper, situado sobre el pozo. Dicha cubeta tiene unas dimensiones

efectivas de 52 cm por 15 cm y un área disponible de 780 cm2. El material con

el que está fabricada es teflón, por lo que al ser un material hidrófobo la

subfase adopta la forma de los bordes de la cubeta y con el agua forma un

ángulo de contacto próximo a 90 grados, evitando así los fenómenos de

mojado. La regulación de la temperatura de la subfase se controla en ambas

balanzas mediante un encamisado situado en la parte inferior que contiene un

serpentín por el que circula agua como líquido refrigerante que proviene de un

criostato Lauda Ecoline RE-106. La temperatura en la interfase se controla con

una sonda de temperatura de la casa KSV Instrument LTD.

Las barreras móviles están elaboradas con un material hidrófilo

denominado Delrin® (polioximetileno). Al estar formadas por material

hidrófilo se forma una curvatura cóncava con la subfase, lo que evita la pérdida

de material de la monocapa por debajo de las barreras. Para asegurar que los

cambios de área se producen correctamente las barreras están montadas sobre

piezas de acero inoxidable y se encuentran conectadas a un dispositivo

electromecánico que controla de forma automática su movimiento, permitiendo

la programación de distintos tipos de experimentos. El margen de velocidad de

movimiento de las barreras va desde 1 a 120.5 mm min-1 en la balanza

Minitrough y 400 mm min-1 para el modelo Standard KSV2000-2.

Para las medidas de la tensión superficial se utiliza una placa Pt-

Wilhelmy colocada en la interfase aire/agua, por lo que la presión superficial se

obtiene de manera directa sin necesidad de corregir los valores obtenidos. La

placa de platino poroso forma un ángulo nulo de contacto con la subfase de

modo que el mojado de la superficie sea el adecuado. La placa está suspendida

en una electrobalanza, así cuando la placa se pone en contacto con la interfase

se produce un aumento de peso, W, que se relaciona con la tensión superficial

mediante la expresión:


cosp

W [III.3]

Donde p, es el perímetro de la placa (10 por 19.62 mm), y θ, el ángulo

de contacto entre la subfase y la placa que viene dado por:

sena

h

12

[III.4]

En esta expresión a y h representan la longitud capilar y la altura de la

parte superior del menisco formado sobre el nivel de la superficie líquida

respectivamente.

La electrobalanza es capaz de medir presiones de 0.01 mN m-1 aunque

la precisión de los datos en las condiciones experimentales no es superior a 0.1

mN m-1 debido a la influencia de factores externos como la temperatura y la

estabilidad mecánica. Esta última se intenta minimizar colocando el dispositivo

en una mesa antivibración.

III.3.2. Balanza de Langmuir-Blodgett

Para la deposición de las películas LB se ha utilizado la balanza de

Langmuir de teflón modelo Standard KSV2000 (Finlandia), Figura III.10. Esta

balanza tiene un área de 780 cm2, y unas dimensiones de 52 x 15 cm.


Figura III.10. Balanza Langmuir-Blodgett modelo Standard (KSV Instruments). En el

recuadro se muestra el brazo dipper que sostiene el sustrato durante la deposición LB.

La transferencia de las monocapas de Langmuir desde la interfase aire-

agua al sustrato sólido se lleva a cabo utilizando un brazo articulado con una

pinza que sostiene el sustrato, dipper, conectado con la balanza a la interfase

del ordenador. El dipper se controla a través del ordenador y se desplaza

verticalmente, perpendicular a la interfase aire-agua. Para la transferencia es

importante controlar y optimizar varios parámetros dependiendo del tipo de

monocapa y sustrato. Algunos de estos parámetros son: la relación de

transferencia, la velocidad de compresión de la monocapa, y la velocidad del

dipper durante la deposición. Otros factores que afectan al proceso son la

presión superficial, el tipo de moléculas que forman la monocapa o la

temperatura y pH de la subfase. La deposición LB se realiza en este trabajo

por dipping up, es decir, primero se sumerge el sustrato en la subfase, después

se adiciona la monocapa y finalmente la monocapa se transfiere elevando el

sustrato. En general, se realiza la deposición con el sustrato sumergido en la

subfase cuando se trata de un sustrato hidrofílico (Figura III.11), y con el

sustrato desde fuera de la subfase hacia dentro si son sustratos hidrofóbicos.

Se pueden fabricar multicapas mediante sucesivos ciclos de deposición.9, 10

Durante la transferencia la presión superficial se mantiene constante por


compresión simétrica de las barreras. Los sustratos utilizados fueron cuarzo,

muscovita (mica), silicio y rejillas de cobre para TEM.

Figura III.11. Esquema de la deposición Langmuir-Blodgett, con el sustrato sumergido en la

subfase.

III.3.3. Potencial Superficial (Sonda Kelvin)

El potencial superficial de una monocapa de tensioactivo adsorbido

sobre una interfase proporciona información no sólo de la estructura de la

doble capa eléctrica, si la hubiera, sino de la orientación de las moléculas en la

interfase. Cuando existe una monocapa adsorbida en una interfase fluida se

produce un aumento sensible del potencial de Volta existente entre esta

superficie y un electrodo metálico situado a una cierta distancia. En una

monocapa de Langmuir el potencial superficial mide el efecto de la presencia

de la monocapa sobre el potencial de la subfase limpia, por lo que se determina

como la diferencia entre el potencial de la subfase cubierta por la monocapa y

de la subfase limpia.

subfaseVVV [III.5]


Esta magnitud se mide mediante un electrodo vibrante o sonda Kelvin.

Se compone de un electrodo metálico colocado a unos 2 mm de la superficie y

otro de referencia sumergido en la subfase. De modo que si se hace vibrar el

electrodo metálico cambiará la distancia entre el mismo y la interfase, y por

tanto, la capacidad del condensador formado, apareciendo una corriente alterna

superpuesta al potencial aplicado. Dicha corriente es proporcional al potencial

superficial. El equipo cancela esta corriente aplicando una diferencia de

potencial que coincide con el potencial superficial. La sonda Kelvin utilizada

en este trabajo es el modelo SPOT 2 de la casa comercial KSV Intrument LTD

que permite obtener valores de potencial superficial con una precisión de 20

mV. En la Figura III.12 se muestra una fotografía del equipo empleado.

Figura III.12. Fotografía de la sonda Kelvin modelo SPOT 2 de la casa comercial KSV

Instrument LTD montado sobre la balanza de Langmuir.

Los modelos que se han ido desarrollando a lo largo de los años para la

interpretación de las medidas de potencial superficial y que la relacionan con el

momento dipolar de las moléculas que forman la monocapa, están basados en

el modelo de Helmholtz.11 Este modelo propone la estructura de la interfase

como un condensador de placas paralelas espaciadas una distancia, d, igual al


espesor de la interfase, y cargadas con signos opuestos y una densidad

superficial de carga, ; por tanto, el incremento del potencial superficial debido

a la presencia de la monocapa viene dado por:

A

dezdV n

000

44

[III.6]

donde y 0, son la permitividad eléctrica de la monocapa y la permitividad del

vacío, respectivamente; d representa el espesor de la monocapa, es la

densidad superficial de carga, la concentración superficial y n es la

componente normal del momento dipolar por molécula adsorbida.

Las modificaciones realizadas sobre la ecuación de Helmholtz se han

centrado en la interpretación de la contribución de los distintos grupos

moleculares al momento dipolar. Así, Davies y Rideal12 propusieron la

descomposición del momento, n, en tres componentes: 1, que corresponde a

la contribución de la reorientación de las moléculas de la subfase acuosa

debido a la presencia de la monocapa; 2, la contribución de los grupos polares,

y 3, la contribución de la parte hidrófoba. Dado que es imposible medir 1 de

forma independiente, habitualmente se combina con 2, ya que ambos

dependen del grupo polar. Esta es la aproximación adoptada por Vogel y

Möbius13, en la cual la monocapa se considera como un condensador de doble

capa. Así los momentos dipolares efectivos se dividen en dos contribuciones,

aire-interfase monocapa, , y monocapa-interfase agua, , y el potencial

superficial se expresa de la siguiente forma.


0

AV

[III.7]

Cuando la monocapa se comprime, el potencial superficial cambia debido a la

alteración de la orientación del grupo polar o la cola hidrófoba.

Demchak y Fort14, introdujeron el concepto de permitividades relativas

efectivas para las diferentes regiones, lo que permite tener en cuenta la

polarización inducida por las moléculas vecinas. De este modo, proponen el

modelo del condensador de tres capas, cuyo potencial superficial viene dado

por:

3

3

2

2

1

1

0

1

AV [III.8]

La contribución 1/1 es debida a la reorientación de las moléculas de agua,

mientras que 2/2 y 3/3 corresponden a las regiones de los grupos hidrófilos

e hidrófobos respectivamente.

En la Figura III.13 se hace un esquema de los tres modelos comentados.


Figura III.13. Modelos para interpretar el potencial superficial de monocapas no iónicas.

El potencial superficial tiene un valor muy próximo a cero en

monocapas gaseosas muy expandidas. La aparición de un valor de potencial

superficial distinto de cero, a áreas por molécula muy altas de la isoterma, se

atribuye a impurezas en la subfase.15 A medida que aumenta la densidad de

moléculas adsorbidas, incluso en valores de presión superficial próximos a

cero, el potencial comienza a aumentar. El área a la cual el potencial comienza

a crecer de forma significativa se denomina área crítica y normalmente se

encuentra alrededor de dos veces el área a la cual la presión superficial

comienza a aumentar. La existencia del área crítica ha sido asociada con la

formación de estructuras por enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua

y los grupos polares de las moléculas que forman la monocapa.16-18

En monocapas iónicas se forma una doble capa eléctrica debajo de la

interfase que contribuye al potencial superficial en una cantidad y que se

incluye en la ecuación de Helmholtz para calcular el potencial de la monocapa.

Región hidrófoba 3,3

1,1 Región hidrófila o polar

Subfase acuosa

2,2

Región hidrófoba

Región hidrófila hidratada

- - - - - - -

+ + + + + + +

n, Modelo de Helmholtz

Modelo de Vogel y Möbius

Modelo de Demchak y Fort


El valor de 0 suele obtenerse utilizando el modelo de Gouy-Chapman para la

doble capa eléctrica.19

00

A

V n [III.9]

III.3.4. Microscopía de Ángulo Brewster (BAM)

La Microscopía de Ángulo Brewster fue introducida de forma

independiente por dos grupos20, 21 para la caracterización de monocapas

moleculares en la interfase aire-agua, ya que proporciona información acerca

de la organización bidimensional del material adsorbido, incluyendo tamaño y

forma de los dominios de coexistencia de fases, así como, de las

heterogeneidades que aparecen en la monocapa. La gran ventaja de esta técnica

es que no entra en contacto con la monocapa, por lo que, no modifica las

estructuras formadas, ni la contamina, como puede ocurrir en el caso de la

microscopía de epifluorescencia.22

El fundamento teórico en el que se basa esta técnica es el

comportamiento que presenta la luz polarizada cuando es reflejada sobre una

fina superficie dieléctrica. Cuando esto ocurre, el haz de luz incidente sobre la

superficie se transforma en un haz de luz parcialmente polarizado, lo que

significa que el vector eléctrico reflejado vibra en el plano paralelo a la

superficie del material. Un esquema de este fenómeno se muestra en la Figura

III.14.


Figura III.14. Esquema del fenómeno de reflexión y refracción de la luz en medios

dieléctricos, donde θ es el ángulo Brewster.

La intensidad de la luz reflejada depende del ángulo de incidencia. Para

un haz de luz polarizada paralelo al plano de incidencia existe un ángulo en el

cual no se produce reflexión, denominado ángulo Brewster que en el caso de la

interfase aire-agua tiene un valor de 53.1º.23

Fue Sir David Brewster quien, a comienzos del siglo XIX, descubrió

que existen unos determinados ángulos de incidencia en los que la luz reflejada

está totalmente polarizada en la dirección paralela al plano de la superficie. Se

trata del ángulo Brewster que es característico de la sustancia que forma la

superficie, del medio de propagación y está relacionado con los índices de

refracción de las dos fases que originan la interfase según la siguiente

ecuación:

)tan(

901

2i

i

i

r

i

sen

sen

sen

sen

n

n

[III.10]

En la que θi y θr representan el ángulo de incidencia y de refracción

respectivamente, n1 el índice de refracción del medio por el que se propaga la

luz y n2 el índice de refracción del medio en el que se refleja la luz.

Haz Refractado

Normal Haz

ReflejadoHaz

Incidente

Medio Dieléctrico

90º

θ


Cuando un haz de luz llega a una superficie de un medio transparente

que tiene un índice de refracción mayor al del aire, por ejemplo agua,

formando un ángulo de incidencia igual al del ángulo Brewster, el grado de

polarización del haz reflejado es del 100 % con una orientación de los vectores

eléctricos perpendiculares al plano de incidencia y paralelos a la superficie que

los refleja. Así, el principio de funcionamiento del microscopio de ángulo

Brewster se basa en el cambio en el índice de refracción, y por tanto, en el

cambio en el ángulo Brewster que se origina cuando una sustancia se deposita

en la interfase aire-agua para formar la monocapa y que produce la reflexión de

la luz. Un esquema de este fenómeno se muestra en la Figura III.15.

Figura III.15. Esquema del fenómeno de reflexión debido a la presencia de una monocapa en

la interfase aire-agua siendo el ángulo de incidencia θB que es el ángulo Brewster.

El Microscopio de Ángulo Brewster (BAM) utilizado en este trabajo es

de la casa comercial KSV Instrument LTD, modelo Optrel BAM 3000. De

manera general, un microscopio de estas características presenta los siguientes

componentes: Goniómetro, Fuente de luz y Módulo de Análisis. Una fotografía

del BAM utilizado se muestra en la Figura III.16.

Goniómetro

El goniómetro (1) está compuesto por dos piezas móviles que permiten

modificar tanto la altura con respecto a la interfase, como el ángulo que forman


dichas piezas. En cada una de estas piezas se encuentran colocados la fuente de

luz y el módulo analizador.

Fuente de luz

La fuente de luz es un láser de Helio-Neón (2) que emite luz de una

longitud de onda de 632.8 nm con una intensidad de 10 mW, que se encuentra

unida a un polarizador (3).

Figura III.16. Microscopio de Ángulo Brewster Optrel BAM 3000 de la casa KSV Instrument

LTD.

Módulo de Análisis

El módulo de análisis consta de objetivo, polarizador y cámara. El

objetivo óptico (4) es de la casa comercial Mitutoyo con una capacidad de 10

aumentos (10X). Unido a éste se encuentra un polarizador (5) cuya misión es


ajustar la dirección de polarización que procede de la superficie. Por último, la

luz llega a una cámara digital (6) monocromática de alta resolución de la casa

comercial EHD modelo Kam Pro-02 que posee una resolución de 768 X 494

pixels.

Esta técnica permite el estudio de la morfología de las interfases si se

tiene en cuenta que, puesto que la luz en el ángulo Brewster está polarizada en

la dirección de la superficie, la interfase aire-agua, si se coloca un polarizador

en el haz reflejado dispuesto perpendicularmente a ese haz, la imagen que

recogerá la cámara será nula, puesto que no le llega luz. Sin embargo, al añadir

una sustancia que forma una monocapa insoluble, cambia el índice de

refracción y por tanto cambia el ángulo Brewster, llegando luz a la cámara lo

que permite ver una imagen de la interfase. En el caso de que la monocapa

tenga fases con distinto índice de refracción lo que veremos serán imágenes

claras y oscuras dependiendo de la diferencia del ángulo de la fase con respecto

al ángulo Brewster de la interfase.

Las imágenes de BAM están digitalizadas y filtradas para reducir los

fenómenos de difracción y así aumentar su calidad. De esta manera, las

imágenes que proporciona el BAM son zonas de diferente tonalidad que se

asignan a diferentes fases de la monocapa.23

III.3.5. Microscopía de Fuerza Atómica (AFM)

La técnica de AFM se utiliza para caracterizar la morfología y espesor

de las diferentes películas LB depositadas sobre varios sustratos. Las medidas

se realizaron en condiciones de laboratorio utilizando el modo de medida

constant repulsive force mode, con el equipo AFM Nanotec-Cervantes-

Dulcinea (España). Posee una palanca flexible rectangular de nitruro de silicio

(Si3N4) microfabricado (Olympus OMCL-RC800PSA) con una longitud de 100


µm, y una punta piramidal de silicio con una constante de fuerza de 0.73 mN

m-1. La frecuencia de barrido de las muestras está comprendida en el margen de

0.5-1.2 Hz por línea. El equipo está situado en una mesa antivibratoria, y en

numerosas ocasiones es necesario minimizar el ruido acústico ambiental y

electrónico. La adquisición y el análisis de las medidas se llevaron a cabo con

el software libre WSxM 5.0 de Nanotec.24 Las medidas se realizaron en el

Centro de Láseres Pulsados Ultracortos Ultraintensos (CLPU), centro mixto en

el que participa la Universidad de Salamanca.

Aunque la resolución depende del tipo de muestra, generalmente esta

técnica tiene una resolución de 0.01 nm de altura (z) y una resolución lateral (x,

y) de 0.7-5 nm para materia blanda. El funcionamiento de esta técnica se basa

en las fuerzas de interacción/repulsión entre la punta y el material de la muestra

estudiada. La punta está anclada a una palanca flexible gracias a la cual en

función de las interacciones entre la punta y la superficie de la muestra se

modifica la distancia entre ellos. Esta distancia es controlada ópticamente por

el sistema, durante el escaneo de la muestra, a través de un haz láser enfocado

en la parte de atrás de la palanca para monitorizar su desplazamiento, Figura

III.17. El haz reflejado es recogido por un fotodiodo que multiplica el

desplazamiento de la palanca, mejorando la sensibilidad del equipo, y a través

de un circuito retroalimentado se controla la distancia entre la punta y la

muestra, que el software convierte en mapa topográfico de la superficie de la

muestra. Durante el barrido de la superficie de la muestra, el movimiento

(posición 3D) de la punta se controla mediante un escáner construido en un

sistema piezoeléctrico.


Figura III.17. Esquema de los principales componentes del AFM.

El origen de las interacciones entre la punta y la muestra son fuerzas de

Van Der Waals, que dependen de la distancia (Figura III.18). En el modo de

contacto, la sonda (punta-palanca) se mantiene a unos pocos angstroms de la

superficie de la muestra, y la fuerza interatómica entre la sonda y la superficie

es repulsiva. En el régimen de no contacto, la sonda se mantiene separada del

orden de decenas a centenas de angstroms de la superficie de la muestra, y la

fuerza interatómica entre la palanca y la muestra es atractiva (resultado de las

interacciones de Van der Waals de largo alcance).


Figura III.18. Diagrama de energía potencial (V(z)) frente a distancia (z) entre la sonda y la

muestra.

Los modos de operación de este equipo son:

Modo de Contacto. En este caso, la punta está ligeramente en contacto

con la superficie de la muestra. Es posible trabajar con dos metodologías,

ajustando la distancia entre la punta y la superficie o estableciendo la fuerza

aplicada por la punta en la muestra, debido a que la desviación de la palanca

flexible es proporcional a la fuerza que actúa sobre la punta, de acuerdo con la

ley de Hooke, donde k es la constante de fuerza de la palanca. Con este modo

es posible manipular o dañar la muestra y contaminar la punta.

Modo de No Contacto. En este modo, la sonda (punta-palanca) opera en

la región de fuerza atractiva con distancias entre la punta y la muestra de 10-

100 Å, minimizando la interacción entre la punta y la muestra. El uso de este

modo permite barrer sin influir en la forma de la muestra analizada.

Modo de contacto intermitente (tapping). Es el modo que se ha

utilizado principalmente en nuestras muestras, ya que permite obtener una alta

resolución e imágenes reproducibles de la superficie de la muestra, evitando

problemas como la fricción o adhesión de la punta. Sin embargo, la velocidad

Interaction Force

Tip atoms

Surface atoms

V(z)

zNon‐contact modeContact mode

Repulsive Region

Attractive Region


de barrido es menor que en el modo de contacto. En este modo la palanca

oscila próxima a su frecuencia de resonancia, usando un cristal piezoeléctrico

controlado por un bucle de retroalimentación electrónico. Este bucle asegura

que la interacción entre la punta y la muestra permanezca constante durante el

barrido. Las fuerzas que actúan entre la muestra y la punta causan un cambio

en la amplitud de oscilación, así como en la frecuencia de resonancia y fase de

la palanca flexible. La selección de la frecuencia de oscilación óptima y la

fuerza sobre la muestra se controlan mediante el software, manteniendo la

fuerza en el nivel más bajo posible para evitar el daño de la superficie durante

los contactos intermitentes que tienen lugar.25

III.3.6. Elipsometría

La elipsometría fue introducida a finales del siglo XIX, y es una técnica

óptica que se utiliza para investigar las propiedades de películas delgadas. Es

aplicable a películas delgadas con un grosor de menos de un nanómetro a

varios micrómetros. Se basa en el uso de luz elípticamente polarizada generada

por la interacción entre la luz linealmente polarizada y la superficie. La

elipsometría mide la variación de polarización en la reflexión o transmisión de

la luz. El cambio de polarización va a depender de las propiedades de la

muestra. De este modo es posible medir la polarización de la luz reflejada con

una placa de cuarto de onda (QWP) seguido por un analizador. La orientación

de la placa de cuarto de onda y el analizador varían hasta que no hay paso de

luz a través del analizador. A partir de esta orientación y de la dirección de

polarización de la luz incidente es posible calcular el cambio de fase relativo,

Δ, y el cambio de amplitud relativa, Ψ, introducido por la reflexión de la

superficie. Midiendo los cambios en las propiedades de reflexión es posible

deducir el espesor de la película.


A continuación se explican unas nociones generales de este fenómeno.

En la reflexión el plano de incidencia contiene el haz de luz antes y después de

la reflexión, siendo perpendicular a la superficie. La radiación utilizada es

plano-polarizada, y hay dos tipos de polarización: polarización p, cuando es

polarizada en el plano de incidencia y s, cuando la polarización es

perpendicular al plano de incidencia.

Figura III.19. Reflexión y transmisión de la luz en la interfase.

En la reflexión de radiación en una interfase que divide dos medios,

Figura III.19, donde parte de la luz es reflejada y otra parte es transmitida, se

define el coeficiente de reflexión de Fresnel, r, como la relación entre la

amplitud de la onda reflejada y la indicente en la interfase. Para los dos estados

de polarización de la luz incidente, p o s, el coeficiente de Fresnel se define

como:

[III.11]

Donde los superíndices representan el estado de polarización de la onda, p o s,

los subíndices 1 y 2 los medios que separan la interfase, y n es el índice de

refracción complejo. La reflectancia, se define como la relación entre las

intensidades incidente y reflejada, y se relaciona con r través de la

expresión:

n2

n1

ф1

ф2


| | | | [III.12]

En las muestras analizadas hay varias interfases, por ello, la reflexión

total es la suma de la reflexión en la superficie exterior, con todas las

componentes de la reflexión en cada una de las interfases intermedias donde la

luz es transmitida, Figura III.20.

Figura III.20. Reflexión y transmisión con múltiples interfases.

Para estos casos, se utilizan las expresiones de Azzam y Heaven. Ellos

dedujeron la relación entre la amplitud de la onda resultante con respecto a la

incidente, es decir, el coeficiente de reflexión total, R.26, 27 En esta expresión, el

subíndice ij (i=1,2,3 y j = i+1) se refiere a los coeficientes de reflexión entre el

medio i y j. β es el espesor de fase de la película:

2 [III.13]

Donde hop es el espesor de la película. Cuando hop → 0, el coeficiente de

reflexión total es igual al coeficiente de Fresnel.

ф1

n1

n2

ф2

n3ф3


Tal y como se comentó anteriormente, entre la radiación incidente y

reflejada, hay una diferencia o cambio de fase entre las componentes paralela y

perpendicular, δ. La diferencia en la fase, entre el haz incidente (1) y el haz

reflejado (2) define el primer ángulo elipsométrico, Δ, que varía entre 0 y 360º.

Δ δ δ [III.14]

Además la amplitud de las componentes de la luz se modifican, y esto está

relacionado con el ángulo psi, Ψ, que puede variar entre 0 y 90º.

tanΨ [III.15]

Estos dos ángulos se determinan experimentalmente en las medidas

elipsométricas, y están relacionados con los coeficientes de reflexión total, p,

según la ecuación fundamental de elipsometría.28

Ψ [III.16]

Equipo y análisis de datos

Las medidas de elipsometría fueron llevadas a cabo durante una

estancia en el Grupo de Física I de la Universidad Complutense de Madrid en

el CAI de Espectroscopía. El equipo utilizado es un elipsómetro modelo EP3 de

la empresa Nanofilm, Alemania, y se ha empleado para determinar el índice de

refracción y el espesor de las películas Langmuir-Blodgett depositadas sobre

obleas de silicio recubiertas de óxido de silicio. La fuente de radiación es un

haz laser de Nd:Yag con una λ de 520 nm (verde) y potencia máxima de 50

mW, mientras que en los experimentos realizados en este trabajo se utilizó una


potencia de ~2%. El ángulo de incidencia del láser sobre las películas LB se

controla con un goniómetro, que se ha ajustado a un ángulo de incidencia de

70º. Además se ha utilizado el elipsómetro como Microscopio de Ángulo

Brewster (BAM), para obtener imágenes de las películas LB sobre los sustratos

de silicio. El haz laser se enfoca sobre las películas LB en obleas de silicio

colocadas en un plato goniómetro.

Figura III.21. Diagrama esquemático de un elipsometro. P: prisma polarizador, QWP: placa

de cuarto de onda, S: muestra, A: prima del analizador, D: detector de luz.

Los principales elementos ópticos del elipsómetro son: el polarizador

(P), el analizador (A), la placa de cuarto de onda (QWP) y el detector (D),

Figura III.21. El polarizador se utiliza para convertir la luz no polarizada en

luz polarizada, el analizador para determinar el estado de polarización del haz.

La placa de cuarto de onda permite polarizar elípticamente las componentes

de la onda que salen del polarizador. La elipticidad producida por la placa

compensa la elipticidad producida por la reflexión en la superficie, de modo

que la luz que llega al analizador es linealmente polarizada. Como detector se

utiliza una cámara CCD.

Para el análisis de los datos27, se propone un modelo de dos capas. Se

obtienen el espesor y el índice de refracción de cada capa, en el que los

Laser Source

P

QWP

A

D

S


ángulos elipsométricos obtenidos por medidas experimetales, Δ y Ψ, se

ajustan. La precisión de estos ángulos elipsométricos es 0.0006. El análisis

computacional de los datos se lleva a cabo con una ruta de minimización

numérica como el método Simplex29, 30, ajustando la elipticidad de las

ecuaciones de Fresnel según el formalismo propuesto por Drude.31 El

programa iterativo desarrollado en Excel® con la herramienta Solver®,

resuelve estas ecuaciones minimizando las diferencias entre los valores

elipsométricos experimentales y ángulos calculados, extrayendo el valor que

mejor ajusta para el espesor y el índice de refracción. En el modelo de dos

capas propuesto la primera capa corresponde al sustrato, silicio con una capa

de óxido nativo de ~2 nm, y un índice de refracción, n = 4.1264 - 0.2300i, la

segunda capa es la película LB depositada. El espesor de la primera capa se ha

calculado a partir de una oblea se silicio limpia.

III.3.7. Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM)

Esta técnica se fundamenta en la dualidad onda corpúsculo de los

electrones, es decir, los electrones en movimiento presentan una onda asociada

con una longitud de onda varios órdenes de magnitud menores que la luz

visible, lo que permite alcanzar límites de resolución menores. Por otro lado,

ya que los electrones son partículas cargadas pueden ser deflectados por lentes

magnéticas o electrostáticas. Mediante una diferencia de potencial los

electrones son acelerados hasta conseguir la velocidad deseada, y su trayectoria

puede ser modificada por la presencia de un campo eléctrico o magnético para

conseguir que el haz de electrones divergente del objetivo pueda enfocarse en

un punto formando una imagen aumentada de la muestra. En este sentido, las

lentes electrostáticas se usan en el sistema de iluminación del microscopio para

extraer y acelerar los electrones, y las lentes magnéticas para controlar la

densidad de la corriente del haz de electrones, su desplazamiento y proyección.


Cuando el haz de electrones entra en contacto con la muestra se produce

un contraste que da lugar a la imagen observada, produciendo radiaciones

secundarias que se pueden usar para obtener información complementaria. Esto

permite combinar análisis y observación de la muestra, dando lugar a diferentes

tipos de microscopios. Si la muestra es lo suficientemente delgada, una gran

parte del haz de electrones llegará a pasar a través de ella, sin cambios en su

trayectoria y energía, produciendo el haz transmitido, Figura III.22. Parte del

haz incidente de electrones puede ser dispersado hacia delante dando lugar al

haz dispersado, o hacia atrás conocido como haz retrodispersado

(backscattering).32

Figura III.22. Esquema de la interacción entre el haz de electrones y la muestra.

En la Microscopía de Transmisión Electrónica (TEM), las muestras son

lo suficientemente delgadas (≤ 200 nm) como para ser transparentes a los

electrones. Es irradiada con un haz de electrones paralelo de densidad de

corriente uniforme que pasa a través de la muestra formando una imagen de la

sección atravesada.

Las muestras fueron depositadas sobre rejillas de cobre recubiertas con

carbono y Formvar® utilizando la técnica de Langmuir-Blodgett.

Principalmente se utiliza el TEM para estudiar la distribución y tamaño de las

Incident Beam

Scattered Beam

Transmitted Beam

Backscattered Beam


nanopartículas en la películas LB. Las imágenes de TEM fueron adquiridas con

el TEM (ZEISS EM 902, Germany), con un voltaje de 80kV, perteneciente al

Servicio de Microscopía de la Universidad de Salamanca. También se utilizó el

equipo TEM JEOL JEM 4000 EX (100kV) del Centro de Microscopía

Electrónica Luis Brú (Universidad Complutense de Madrid).

III.3.8. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

En la Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), los electrones se

enfocan en la superficie de una muestra gruesa, opaca a los electrones. El haz

incidente de electrones barre la superficie de la muestra y, como resultado de la

interacción, se produce la emisión de un haz de electrones secundario. La

muestra refleja y/o retrodispersa los electrones lo cual da lugar a la señal. Esta

señal es conducida a un tubo de rayos catódicos. La intensidad de emisión

depende del ángulo incidente del haz de electrones sobre la superficie del

material, y por tanto de la topografía de la muestra. En este tubo existe una

sincronización entre el movimiento de barrido del haz de electrones a través de

la muestra y el movimiento del haz de rayos catódicos, por lo que se produce

una representación punto a punto del área explorado formándose la imagen en

tres dimensiones que es observada y fotografiada.32

Concretamente la técnica de Microscopía Electrónica de Barrido con

haz de Iones Focalizados (Helios 450 dual-beam FIB/SEM) ha permitido la

caracterización de las películas LB de QDs depositadas sobre mica. La

potencia del haz de electrones empleada es de 5-10 kV. El acceso a esta técnica

es posible a través de una colaboración con el International Iberian

Nanotechnology Laboratoy (INL).


III.3.9. Microscopía de tiempos de vida de Fluorescencia (FLIM)

La técnica de microscopía de tiempos de vida de fluorescencia (FLIM)

se ha utilizado para investigar las propiedades de fotoluminiscencia de la

películas LB sobre sustratos de cuarzo. Estas medidas se llevaron a cabo en

colaboración con el Grupo de Fotoquímica Molecular (Instituto Superior

Técnico de Lisboa, Portugal) durante una estancia doctoral de tres meses. Esta

técnica nos permite estudiar la dinámica de fluorescencia en los QDs

analizando las curvas de decaimiento e imágenes de fluorescencia.

El equipo utilizado es un microscopio confocal de fluorescencia

resuelta en el tiempo, MicroTime200 de la casa comercial PicoQuant GmbH

(Berlin, Germany), Figura III.23. La fuente de excitación es un diodo laser

pulsado de 480 nm longitud de onda de excitación (2.5 MHz de tasa de

repetición) que pasa a través de un filtro de banda estrecha y es reflejado con

un dicroico divisor de haz en un microscopio de base invertida. El microscopio

IX 71 Olympus® incorpora un objetivo de inmersión de agua (x60) que enfoca

el haz láser en la muestra recoge su emisión. Para proteger la película LB del

agua se coloca un coverslip de vidrio entre la gota de agua y la muestra. Las

medidas de los puntos y las áreas (80x80 µm2, 400x400 pixels, tiempo de

integración 2 ms por pixel) se llevaron a cabo barriendo la muestra con una

mesa móvil.


Figura III.23. Fotografia de la unidad óptica (MicroTime 200, PicoQuant) unida al

microscopio Olympus. Zoom del objetivo y del porta muestras.

Para seleccionar un punto o área de la muestra, el microscopio está

conectado con un piezo scanner XY de alta resolución, controlado por

ordenador. Además hay una cámara CCD integrada en el camino óptico de haz,

que sirve como herramienta de diagnóstico para la calidad del enfoque

monitorizando la luz retrodispersada por una interfase de vidrio, permitiendo

así enfocar el láser en la muestra. La emisión de fluorescencia se recoge con el

mismo objetivo, filtrada por un espejo dicroico y un filtro para eliminar la luz

dispersada, pasando posteriormente por un pinhole de 100 µm para hacer

posible la detección confocal. La emisión de fluorescencia es detectada con

fotodiodos de avalancha utilizando el método de time-correlated single

photon counting (TCSPC) con una resolución de 152 ps/canal. Filtros paso-

banda adicionales se colocan antes de los fotodiodos de avalancha para

seleccionar el rango espectral de emisión. En la Figura III.24 se muestra un

esquema de la unidad óptica.


Figura III.24. Esquema de la unidad óptica MicroTime 200 (PicoQuant) indicando los

diferentes componentes: el sistema de detección confocal con un pinhole y dos canales de

detección con separadores del haz; shutters electromecánicos instalados en el camino óptico de

excitación y en frente de cada detector para asegurar un funcionamiento seguro del sistema.

La adquisición de datos se realiza con el sistema TCSPC TimeHarp

200 (PicoQuant GmbH) en el modo Time-Tagged Time-Resolved (TTTR) que

permite almacenar toda la información relevante para cada fotón detectado.

Esta información es el tiempo de llegada del fotón al detector relativo al

correspondiente pulso de excitación láser, la posición de la muestra y el

número del canal de detección. El software SymPhoTime® (versión 4.7.) se

utiliza para controlar la unidad óptica, así como el controlador digital de

posición o los shutters, y realizar las medidas.

Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC)

En el modo TCSPC33 cada fotón que llega al detector es relacionado en

el tiempo con el pulso de referencia. Este método se basa en la medida precisa

de la diferencia de tiempo entre el momento de excitación y la llegada del

primer fotón al detector. La muestra es excitada por una fuente láser pulsada y

a medida que los electrones excitados vuelven al estado fundamental la

Confocal pinhole

CCD Camera

Detector 2

Photodiode

Inverse microscope

XY-scanner

LaserExcitation Detector 1 Shutter Filter

Shutter Filter

Filter

Shutter

LensMirror

Beamdisplacer

Beamsplitter

Filterwheel

Dichroic


muestra comienza a emitir fotoluminiscencia. Al mismo tiempo que se

produce la excitación, el módulo de TCSPC recibe una señal de referencia del

detector por un camino óptico secundario que pone en marcha un reloj interno.

La fotoluminiscencia se recoge y filtra hasta que no llega más de un fotón por

pulso de excitación al detector. El detector produce un pulso de voltaje en

respuesta al fotón, y este fotón detiene el reloj interno. En ese momento se

registra el tiempo transcurrido entre el pulso de excitación y el de emisión. Este

proceso se repite para millones de fotones, creando un histograma que muestra

la correlación entre el número de fotones, que es proporcional a la intensidad

de fotoluminiscencia, y el tiempo de llegada tras la excitación. Este histograma

corresponde a la curva de decaimiento de fluorescencia, y es analizado para

extraer el tiempo de vida y la amplitud de la señal.

Modo Time-Tagged Time-Resolved (TTTR)

Este modo de medida se basa en adicionar una segunda información de

tiempo, el time tag, a cada medida de tiempo de TCSPC.34 Esta etiqueta de

tiempo se toma de un reloj en movimiento continuo y representa el tiempo de

llegada de cada fotón relativo al comienzo del experimento. De este modo, un

fotón en la corriente de datos de TTTR está formado por tres piezas

individuales de información: el tiempo TCSPC, el time tag y la información de

ruta; así toda la información de la dinámica del fotón se conserva. El esquema

de medida de TTTR se muestra en la Figura III.25.


Figura III.25. Esquema de medida de Time-Tagged Time Resolved (TTTR). Las diferencias

de tiempo entre el momento de excitación y la llegada del primer fotón al detector es el tiempo

de TCSPC (t) y es almacenado en la corriente de datos de TTTR junto con el time tag (T) y la

información sobre el detector del que proviene el fotón (CH).

Son posibles distintos procedimientos de análisis, el de tiempos de vida

de fluorescencia (FLIM) nos permite obtener información sobre el entorno

local de las moléculas en la muestra a partir de la emisión resuelta en el tiempo.

Procedimiento de Ajuste de Decaimientos

El análisis de los tiempos de vida se realiza utilizando los software

Symphotime® y FluoFit® de PicoQuant.35 Las curvas de decaimiento fueron

ajustadas iterativamente a una función de decaimiento multiexponencial

(ecuación III.17), teniendo en cuenta la respuesta del instrumento. Los datos

deben ser una convolución de la respuesta del instrumento y el tiempo de vida

de fotoluminiscencia real. Para quitar la respuesta del instrumento, se realiza

un ajuste de reconvolución. Las cuentas de fondo se fijan como un parámetro

constante en cada ajuste. Esta función es la respuesta del instrumeto a un pulso

corto, y se mide como la curva de decaimiento del pulso de excitación láser.

′ ∑ ′

′∞

[III.17]


Los parámetros que se ajustan son: τi, que es el tiempo de vida de la

componente i del decaimiento; Ai, la amplitud de la componente i, en cuentas;

Bkgr.Dec, las cuentas de fondo del decaimiento; Bkgr.IRF cuentas de fondo del

IRF; y ShiftIRF, el desplazamiento de tiempo entre el decaimiento y el IRF. La

suma de los factores A se normaliza a la unidad.

El valor de τ se determina minimizando la suma de los residuales al

cuadrado entre la función ajustada y los datos experimentales. La calidad del

ajuste se evalúa a partir del valor de la función Chi-cuadrado, χ2. Un valor

próximo a la unidad indica que se ha obtenido un buen ajuste.

2 1 ∑ 21

2 [III.18]

donde N es el número de canales ajustados y p el número de parámetros

ajustados. La diferencia, N-p, son los grados de libertad. El decaimiento,

Decay(ti), es un conjunto de N valores de intensidad, es decir, la curva de

decaimiento experimental. Los valores Fit(ti) se calculan utilizando el modelo

exponencial y los valores iterados de los parámetros del modelo. W(ti) es el

factor de peso.

La bondad del ajuste realizado en las curvas de decaimiento se puede

obtener por la representación de los residuales, R(ti), entre los puntos

experimentales y ajustados frente al tiempo. Es una herramienta que permite

observar donde ocurren las desviaciones.

[III.19]


La función de correlación de los residuales nos permite evaluar la

bondad del ajuste. Valores pequeños y aleatoriamente distribuidos de la

función de autocorrelación indican un buen ajuste.

Además a efectos comparativos entre las distintas muestras, es posible

obtener el valor de tiempo de vida promedio (τAV) a partir de la ecuación

siguiente36:

∑

∑ [III.20]

donde ai es el factor pre-exponencial del tiempo de vida y τi el tiempo de vida

obtenido en el ajuste de las curvas de decaimiento.

La fracción de intensidad de cada componente, fi, que proporciona

información acerca de la contribución relativa de cada componente i, se calcula

a partir de la expresión:

j

jja [III.21]

Imágenes de FLIM

El software SymPhoTime® se utiliza para el tratamiento de las

imágenes de FLIM, calculando el tiempo de vida para cada pixel a partir del

histograma TCSPC como un promedio sopesado de los componentes de los

canales. En cada imagen, el color se relaciona con el tiempo de vida, y el brillo

es función de la intensidad emitida.


III.3.10. Microbalanza de Cristal de Cuarzo (QCM)

La Microbalanza de Cristal de Cuarzo (QCM) es un dispositivo

gravimétrico ultrasensible, que mide masa mediante cambios en la frecuencia

de oscilación de un cristal de cuarzo piezoeléctrico al ser perturbado por la

adición se una sustancia. Se utiliza para caracterizar la formación de películas

delgadas, del orden de nanómetros. Sus aplicaciones más comunes incluyen

medidas en proteínas, polímeros, tensioactivos y células sobre superficies en

líquidos. Está formado por un cristal delgado de cuarzo en forma de disco con

electrodos metálicos depositados a ambos lados. El electrodo inferior actúa

como contacto eléctrico con el resto del circuito oscilador y el superior es la

zona donde se deposita el material. Cuando a un material piezoeléctrico se le

aplica un campo eléctrico sufre una deformación mecánica. La dirección y

magnitud de la deformación piezoelétrica depende de la dirección del campo

eléctrico aplicado relativo al eje del cristal. Como consecuencia, un campo

eléctrico oscilante va a inducir ondas de deformación mecánica en el cristal. La

frecuencia de resonancia del cristal, f , viene dada por la expresión37:

[III.22]

Donde es la velocidad de onda (velocidad del sonido) en el plato de cuarzo

y tq es el espesor del plato de cuarzo. La frecuencia de resonancia para ν=1 se

conoce como frecuencia de resonancia fundamental, , ν=3 es el tercer

armónico, y así sucesivamente. Únicamente son válidos los armónico impares,

ya que en los cristales de cuarzo al excitar la resonancia de la frecuencia

fundamental aparecen armónicos en los múltiplos impares de dicha frecuencia.


Figura III.26. Fotografías del equipo de Microbalanza de Cristal de Cuarzo Disipativa (QCM-

D) (Q-Sense E1, Gothenburg, Sweden).

El equipo utilizado en este trabajo es una Balanza de Cristal de Cuarzo

Disipativa (QCM-D) modelo Q-Sense E1 (Gothenburg, Sweden), Figura III.26.

El sensor de cristal de cuarzo utilizado para todos los experimentos consiste en

un cristal de cuarzo con corte AT, con electrodos de oro recubiertos de SiO2

(QSX 303, Q-Sense). El cristal es excitado para oscilar a su frecuencia

fundamental característica f0= 5 MHz y a sus armónicos impares (ν = 3, 5, 7 y

11). En muchas de las representaciones gráficas se presentan los valores de f

y D correspondientes al tercer armónico (15 MHz), que ha demostrado ser el

más preciso y presenta mayor relación señal-ruido.38

Figura III.27 Representación esquemática y fotografía de un cristal de cuarzo con electrodos

de oro recubiertos de SiO2.

La adición de masa sobre la superficie del cristal se registra como un

decrecimiento en la frecuencia de resonancia (f), mientras que los cambios en

el factor disipación (D) están relacionados con las propiedades viscoelásticas


y con cambios conformacionales que se producen en la película. Cuando la

capa adsorbida sobre el sensor es completamente rígida, las curvas de la

frecuencia normalizada (f/para los distintos armónicos se superponen, al

igual que las curvas de la disipación (D). Además, cuando la variación de la

disipación es menor del 5% respecto al cambio en la frecuencia, (D/f), se

considera que el material es rígido39 y por tanto se puede aplicar la relación de

Sauerbrey40 (ecuación II.5) para convertir los valores de cambio de frecuencia

en masa.

En las situaciones en las que la película adsorbida no es rígida la

ecuación de Sauerbray no es aplicable, ya que una película viscoelática no va a

acoplarse completamente a la oscilación del cristal, de modo que la relación de

Sauerbrey va a sobreestimar la masa en la superficie del sensor. Una película

viscoelástica amortigua la oscilación del sensor, así la energía de disipación

(D) de la oscilación del sensor está relacionada con la viscosidad de la película

y se define según la ecuación II.7.

Cuando la contribución de la viscoelasticidad de la capa no es

depreciable las curvas de los distintos armónicos de (f/ y D no van a

converger, y el cambio en la disipación será mayor del 5% respecto al cambio

en la frecuencia, (D/f), por lo que los datos de (f/ y D deben ajustarse

utilizando un modelo viscoelástico. En estos casos se ha utilizado el modelo de

Voigt (ecuaciones II.11 y II.12) para películas viscoelásticas41 para determinar

la masa absorbida, el espesor y los parámetros reológicos de la película

utilizando el software de tratamiento de datos Qtools incorporado en el equipo

(Q-Sense). Los datos experimentales se ajustaron al modelo de Voigt

utilizando los valores del tercer, quinto, séptimo noveno y undécimo armónicos

minimizando el valor de Chi-cuadrado (χ2) para obtener el mejor ajuste. Para

realizar estos ajustes es necesario introducir los valores de densidad y

viscosidad del fluido, que en el caso de este trabajo fue cloroformo al tratarse


de moléculas insolubles en agua. La densidad y viscosidad utilizadas fueron

1480 kg m-3 y 0.000563 kg m-1 s-1, respectivamente. La densidad de la película

adsorbida o densidad efectiva se suele considerar entre la densidad de una capa

de polímero y la del disolvente utilizado.38, 42 Utilizando este criterio la

densidad la efectiva se ha considerado 1300 kg m-3 para las películas de

polímero y tensioactivo.

III.4. Bibliografía

1. Zana, R.; Benrraou, M.; Rueff, R., Alkanediyl-.alpha.,.omega.-bis(dimethylalkylammonium bromide) surfactants. 1. Effect of the spacer chain length on the critical micelle concentration and micelle ionization degree. Langmuir 1991, 7, 1072-1075. 2. Yu, W. W.; Peng, X., Formation of High-Quality CdS and Other II–VI Semiconductor Nanocrystals in Noncoordinating Solvents: Tunable Reactivity of Monomers. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2002, 41, 2368-2371. 3. Cotton, F. A.; Barnes, R. D.; Bannister, E., The effect of complex-formation by phosphine oxides on their P-O stretching frequencies. Journal of the Chemical Society 1960, 2199-2203. 4. Kopping, J. T.; Patten, T. E., Identification of Acidic Phosphorus-Containing Ligands Involved in the Surface Chemistry of CdSe Nanoparticles Prepared in Tri-N-octylphosphine Oxide Solvents. Journal of the American Chemical Society 2008, 130, 5689-5698. 5. Jasieniak, J.; Smith, L.; Embden, J. v.; Mulvaney, P.; Califano, M., Re-examination of the Size-Dependent Absorption Properties of CdSe Quantum Dots. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 19468-19474. 6. López-Díaz, D.; Velázquez, M. M., Evidence of glass transition in thin films of maleic anhydride derivatives: Effect of the surfactant coadsorption. Eur. Phys. J. E 2008, 26, 417-425. 7. Kern, W., Handbook of Semiconductor Wafer Cleaning Technology. Noyes Publications: New Jersey, 1993. 8. Gaines, G. L., Insoluble monolayers at the air-water interface. Interscience Publishers1966. 9. Blodgett, K. B., Films Built by Depositing Successive Monomolecular Layers on a Solid Surface. Journal of the American Chemical Society 1935, 57, 1007-1022. 10. Chechel, O. V.; Nikolaev, E. N., Devices for Production of Langmuir-Blodgett Films. Instruments and Experimental Techniques 1991, 34, 750-762.


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polímero y mezclas polímero/tensioactivo

Monocapas de Langmuir de tensioactivo geminal, polímero y mezclas polímero/tensioactivo 111 _____________________________________________________________________________________________________________________


polímero y mezclas polímero/tensioactivo

Las películas delgadas de polímeros y tensioactivos se utilizan

frecuentemente para controlar y modificar las propiedades de los sustratos

utilizados en diferentes aplicaciones como la fabricación de nanomateriales o

dispositivos biocompatibles.1 Una metodología para obtener películas delgadas

de material insoluble es la fabricación de monocapas de Langmuir. La

importancia de estas monocapas aumenta cuando éstas se utilizan como

estructuras de base para la formación de películas Langmuir-Blodgett (LB), de

gran interés tanto desde el punto de vista biológico como tecnológico. En la

elaboración de estas películas suelen utilizarse tanto moléculas de polímero

como de tensioactivo, o mezclas de ambos. Para ello es necesario conocer las

propiedades de las monocapas de Langmuir precursoras a partir de las cuales se

preparan las películas Langmuir-Blodgett.

Recientemente, los estudios de propiedades superficiales de electrolitos

simples han adquirido una renovada atención ya que juegan un papel

fundamental en la química de la atmósfera,2 así como en muchas áreas de la

Química Física como la electroquímica, catálisis, liberación de fármacos o

separación de iones.3 Algunos trabajos encontrados en bibliografía ilustran la

influencia de la serie Hofmeister de iones, en la organización de monocapas

iónicas en la interfase aire-agua y el efecto de estos iones en la estructura de las

monocapas.4, 5 Esta serie surgió al estudiar el efecto que producen los iones

sobre la estructura de proteínas y macromoléculas en disolución siendo

procesos que también ocurren en la interfase, por lo que sería posible observar

relaciones similares en el caso de monocapas adsorbidas en la interfase aire-

líquido. Las interacciones entre los iones disueltos en la subfase y las

moléculas adsorbidas en la interfase aire-agua son de gran importancia en la

fabricación de películas LB de calidad con potenciales aplicaciones en

112 Monocapas de Langmuir de tensioactivo geminal, polímero y mezclas polímero/tensioactivo _____________________________________________________________________________________________________________________

tecnología de películas delgadas, ya que condicionan la organización de las

moléculas adsorbidas.6 Una de las mayores dificultades en la fabricación de

materiales para electrónica molecular es que se requiere una alta organización

intermolecular para conseguir las propiedades deseadas. Una metodología para

obtener esta organización molecular es el autoensamblaje de moléculas

anfifílicas en una monocapa preparada sobre una subfase salina y su posterior

transferencia a un sólido con la metodología LB. De este modo, cuando los

iones están presentes en la subfase, las monocapas de tensioactivo se vuelven

más ordenadas7 y se transfieren más fácilmente a sustratos sólidos.8 Estos

sistemas autoensamblados son interesantes desde el punto de vista

fundamental9 y para sus aplicaciones tecnológicas.10, 11

En este trabajo se ha utilizado como sistema autoensamblado el

tensioactivo geminal catiónico, abreviado como 18-2-18, ya que los

tensioactivos geminales proporcionan una alta actividad superficial respecto a

los tensioactivos monocatenarios12 y pueden ser utilizado como plantilla

(template) para la fabricación de nanomateriales.13 El comportamiento de los

tensioactivos geminales solubles en agua ha sido ampliamente estudiado en

disolución y en la interfase aire-agua,14 sin embargo las propiedades de las

monocapas de tensioactivos geminales insolubles ha recibido menos atención15-

20, aunque presentan características adecuadas para la deposición de

nanopartículas con aplicaciones tecnológicas como dispositivos de

almacenamiento de energía solar o cristales líquidos. Por otro lado, está

establecido que las mezclas que contienen moléculas de polímero y

tensioactivo proporcionan un efecto sinérgico en el proceso de agregación de

las moléculas en disolución,21 y en las propiedades superficiales de las

monocapas.22-27 Sin embargo, existen pocos estudios de monocapas de

Langmuir formadas por tensioactivos y polímeros. Por eso se aborda el estudio

de las propiedades de las monocapas mixtas formadas por el tensioactivo


geminal 18-2-18 y el polímero PMAO, con la intención de utilizar películas LB

de estas mezclas para la deposición de nanopartículas. Se escogió este polímero

ya que anteriormente se habían utilizado derivados de anhídrido maléico en

películas LB para la fabricación de dispositivos electrónicos sub-

micrométricos,28 puesto que son estables frente a haces electrónicos.29

En este capítulo se recogen los resultados correspondientes a la

caracterización de las monocapas de Langmuir del tensioactivo geminal 18-2-

18 y de las monocapas mixtas PMAO/tensioactivo. Además, se ha estudiado el

efecto que producen las subfases salinas sobre las propiedades de las

monocapas del tensioactivo 18-2-18. La caracterización de estas monocapas se

ha realizado registrando las isotermas presión superficial-área molecular, π-A,

a partir de las cuales se determina la elasticidad de equilibrio de la monocapa,

las isotermas de potencial superficial-área molecular y finalmente se han

obtenido imágenes la monocapa utilizando la microscopía de ángulo Brewster.

Para estudiar el efecto de las interacciones específicas entre aniones y

tensioactivos en la estructura y propiedades de las películas de Langmuir y LB

se estudia el efecto de diferentes aniones de la serie Hofmeister disueltos en la

subfase sobre las propiedades de las películas del tensioactivo geminal.

También se estudia el efecto de los cationes divalentes sobre el gradiente de

concentración de aniones próximo a la interfase.


IV.1.1. Monocapas de Langmuir del tensioactivo geminal 18-2-18: Efecto de

subfases iónicas

IV.1.1.1. Propiedades de equilibrio de las monocapas del tensioactivo

Metodología de preparación

Las monocapas de tensioactivo se caracterizan mediante las isotermas

de presión superficial-área por molécula, -A Para la obtención de éstas se

puede proceder de dos formas: una mediante la modificación de la

concentración superficial a través de adición de cantidades sucesivas de

tensioactivo y registrando la presión (área constante), y otra cambiando el área

disponible en la monocapa con el movimiento de las barreras tras la adición de

una cantidad de material determinada. Al primer caso se le denomina

procedimiento de adición y al segundo de compresión.

Se procede adicionando la cantidad necesaria de tensioactivo sobre la

subfase y esperando el tiempo necesario para que se alcance una presión

superficial constante, y por tanto el estado de equilibrio termodinámico. El

tiempo necesario para alcanzar el equilibrio depende de la concentración de

tensioactivo añadido y va desde 20 hasta 45 minutos desde la adición. En el

procedimiento de compresión, cuando se ha adicionado material suficiente

sobre la monocapa para alcanzar valores de presión próximos a 1 mN m-1 se

procede a la compresión de la monocapa mediante el sistema de barreras

explicado anteriormente, Figura III.9.

Puesto que en las monocapas de tensioactivos de estructura sencilla no

suelen producirse procesos de asociación, reorganización u otros procesos

dinámicos, las isotermas obtenidas por los dos procedimientos suelen coincidir,

excepto en la zona de colapso de la monocapa. En esta zona se producen

estructuras tridimensionales que pueden disolverse en la subfase acuosa, por lo


que la isoterma de adición suele quedar por debajo de la de compresión. Se han

comparado las isotermas de presión superficial obtenidas por los dos

procedimientos. En el caso de la isoterma de compresión la velocidad de

compresión de las barreras fue de 5 mm min-1. La Figuras IV.1.1 y IV.1.2

muestran los resultados obtenidos sobre una subfase acuosa y sobre subfase

iónica de NaBr 0.2 M. Este comportamiento se repite para todas las subfases

salinas utilizadas en este trabajo.

100 200 300 400 500

0

10

20

30

40

/ m

N m

-1

Área por molécula (Å2)

Figura IV.1.1. Isotermas de presión superficial-área del tensioactivo geminal 18-2-18

realizadas sobre subfase agua a 293 K: los puntos corresponden a la isoterma de adición y la

línea a la de compresión a una velocidad de barreras de 5 mm min -1.


100 200 300

0

10

20

30

Área por molecula (Å2)

/m

N m

-1

Figura IV.1.2. Isotermas de presión-área del tensioactivo geminal 18-2-18 realizadas sobre

subfase iónica [NaBr] = 0.2 M a 293 K: los puntos corresponden a la isoterma de adición y la

línea a la de compresión a una velocidad de barreras de 5 mm min -1.

En todos los sistemas estudiados las isotermas obtenidas por los dos

procedimientos coinciden dentro del margen de error experimental, excepto en

la zona del colapso, en la que como se explicó anteriormente la isoterma

obtenida por compresión tiene unos valores de presión más altos que los

obtenidos por adición. Esto indica que las monocapas del tensioactivo geminal

18-2-18, aun siendo una molécula más compleja que la de un tensioactivo

monocatenario, presentan un comportamiento similar al de estos tensioactivos.

Puesto que no estamos interesados en estudiar estados correspondientes al

colapso de la monocapa, se seleccionó la metodología de compresión simétrica

de barreras para preparar las isotermas.

Estabilidad de la monocapa

Para comprobar que las monocapas formadas son completamente

insolubles en la subfase, es decir, que el tensioactivo forma monocapas

estables, se ha registrado la presión con el tiempo durante 3 o 4 horas

manteniendo el área constante a distintas presiones correspondientes a los


diferentes estados superficiales de las moléculas adsorbidas. En los distintos

sistemas estudiados la presión se mantiene constante dentro del margen de

error experimental, observándose un descenso de presión menor al 0.1%, por lo

que se concluye que las monocapas preparadas son estables.

A continuación se realizan ciclos de compresión-expansión con la

intención de comprobar si los estados alcanzados son realmente de equilibrio o

por el contrario se observa histéresis en los ciclos de expansión o compresión.

En la Figura IV.1.3 se han representado a modo de ejemplo tres ciclos

completos, pudiéndose apreciar que no existen diferencias significativas entre

los ciclos de compresión y expansión, es decir, la monocapa no presenta

histéresis, tiene un comportamiento reversible tal y como cabe esperar de una

monocapa de un tensioactivo insoluble. Los resultados obtenidos cuando se

introducen subfases iónicas son análogos a los que acabamos de describir, no

observándose histéresis en los ciclos de compresión-expansión.

Figura IV.1.3. Ciclos de compresión-expansión en monocapas del tensioactivo geminal 18-2-

18 a 293 K.

150 200 250 300

0

2

4

6

8


/

mN

m-1


Efecto de la temperatura sobre la isoterma

Otro factor que afecta la estructura de las monocapas es la temperatura, por lo

que se obtuvieron las isotermas de presión superficial a distintas temperaturas.

En la Figura IV.1.4 se presentan las isotermas de presión obtenidas para

monocapas preparadas sobre subfases de agua a 288 K, 293 K, 301 K y 307 K.

Los valores representados indican que la isoterma se desplaza a áreas por

molécula mayores al aumentar la temperatura. Éste es un comportamiento

típico que está causado por la agitación térmica de las propias moléculas en la

monocapa. Al aumentar la temperatura los movimientos de las moléculas

adsorbidas aumentan y las monocapas se expanden. Este proceso se invierte al

alcanzar la temperatura conocida como temperatura de desorción. A esta

temperatura las moléculas de tensioactivo se disuelven en la subfase y por lo

tanto la presión superficial disminuye. Tal y como ha sido estudiado

previamente por otros autores30 en las monocapas del tensioactivo geminal 18-

2-18, la temperatura a partir de la cual se produce la desorción es de 302 K. En

la Figura IV.1.4 se observa que para un mismo valor de área, la isoterma

preparada a 307 K tiene un valor de presión superficial menor que la de 301 K

debido a la desorción de moléculas de tensioactivo de la interfase. Por lo que,

en esta investigación se ha escogido como temperatura de trabajo 293 K,

temperatura inferior a la temperatura de desorción del tensioactivo, Td = 302

K.30


100 200 300 400 500

0

10

20

30

40

307 K293 K

301 K


mN

m-1

288 K

Figura IV.1.4. Isotermas de presión-área del tensioactivo geminal 18-2-18 preparadas a 288 K,

293 K, 301 K y 307 K en subfase de agua pura.

Estados de la monocapa: Elasticidad superficial de equilibrio

La capacidad de almacenamiento de energía del sistema por compresión

instantánea se relaciona con la elasticidad superficial de equilibrio de la

monocapa, 0. La elasticidad superficial de equilibrio determina el estado

superficial en el que se encuentra la monocapa.31 Los valores de elasticidad se

obtienen a partir de la isoterma presión superficial mediante la siguiente

ecuación:

T

0

[IV.1.1]


Los valores obtenidos se encuentran representados en la Figura IV.1.5b.

A efectos comparativos en la Figura IV.1.5a. se han representado las isotermas

de presión superficial-área por molécula de la monocapa sobre subfase acuosa

a 293 K, obtenidas por adición (círculos) y compresión simétrica de las

barreras (línea).

Figura IV.1.5. (a) Isoterma de presión superficial del tensioactivo geminal 18-2-18 obtenida a

293 K por adición (círculos sólidos) y por compresión simétrica (línea) (b) Variación de la

elasticidad de equilibrio, obtenida a partir de la ec. IV.1.1, con la concentración superficial de

tensioactivo.

Para valores de área superficial superiores a 200 Å2 la elasticidad de

equilibrio, 0, es próxima a cero. Este comportamiento se atribuye a un sistema

mecánico cuasi-perfecto en 2D, conocido como estado gaseoso, G. Los valores

de elasticidad superficial de equilibrio que se obtienen para el intervalo de

valores de área superficial menores a 200 Å2 hasta el colapso de la monocapa

son característicos de la fase líquido expandido, LE.32 Esto indica que durante

0

20

40

100 10000

35

70

G o G-LE


G o G-LE

LE

a

/ mN

m-1

LE b

0 / m

N m

-1


la compresión, antes de la fase de colapso no aparece la fase condensada o

líquido comprimido, LC. Esto concuerda con los resultados obtenidos por otros

autores para monocapas de tensioactivo geminal con un espaciador mayor que

el utilizado en este trabajo.19 Si se continúa disminuyendo el área, la elasticidad

disminuye, esto se debe a que en la zona de colapso se forman estructuras

tridimensionales que pueden ser solubles en la subfase, por lo que al perder

material en la monocapa su elasticidad disminuye. La elasticidad alcanza un

valor máximo alrededor de los 60 mN m-1 para la monocapa del tensioactivo en

agua a 293 K.

Microscopía de ángulo Brewster

La microscopía de ángulo Brewster, permite obtener información

acerca de la estructura de los distintos estados de la monocapa de tensioactivo.

La existencia de mesetas, en las isotermas de presión, es decir, zonas en las que

se mantiene constante la presión son indicativas de una posible coexistencia de

fases. En estas zonas de coexistencia de fases, a menudo se observan dominios

que pueden hacerse visibles por microscopía de epi-fluorescencia33, 34 y por

microscopía de Ángulo Brewster.33, 35 En el caso de la microscopía de epi-

fluorescencia, es necesario añadir a la monocapa una molécula fluorescente

que haga de contraste entre las diferentes fases, lo que puede perturbar la

estructura de la monocapa, por lo que se prefiere la microscopía de ángulo

Brewster para observar la existencia o no de dichos dominios en las distintas

regiones.

En el caso particular de la monocapa del tensioactivo 18-2-18, se

obtienen las imágenes de BAM para confirmar el estado de la monocapa en la

región gaseosa, ya que a menudo suelen producirse interacciones entre las

moléculas que dan lugar a dominios en el estado gaseoso que luego

desaparecen en el estado de LE. Para analizar este comportamiento se tomaron


imágenes en la zona del plateau de las isotermas de presión y elasticidad

superficial (385 Å2 molécula-1) y en la región de LE (95 Å2 molécula-1), que se

encuentran señaladas con flechas en la isoterma representada en la Figura

IV.1.5.

En la Figura IV.1.6 se muestran las imágenes de BAM obtenidas para la

monocapa de tensioactivo a 293 K.

Figura IV.1.6. Imágenes obtenidas por BAM de la monocapa del geminal 18-2-18 sobre una

subfase acuosa a 293 K a concentraciones superficiales correspondientes a las regiones de

líquido expandido, LE y gas-líquido expandido, G-LE. Las flechas en la isoterma de la Figura

IV.1.5 corresponden a las monocapas observadas por BAM. Dimensiones de las imágenes:

350x270 m.

Las imágenes de BAM muestran que en la región de LE hay una total

ausencia de dominios, mientras que en la región designada hasta ahora como

gaseosa o gas-líquido expandido, G-LE, aparecen dominios circulares y en

forma de tiras. La aparición de estos dominios en zonas tan diluidas de la

monocapa se han observado en otras monocapas de tensioactivos36 y se

atribuye a una región de coexistencia de fases gas-líquido expandido (G-LE).

Por lo tanto, esta región que presenta dominios en la monocapa del tensioactivo

geminal se adscribe a una zona de coexistencia de fases gas-líquido expandido.

LE G-LE


IV.1.1.2 Efecto de los electrolitos sobre la monocapa del tensioactivo

El efecto de la presencia de iones en la subfase sobre las propiedades de

la monocapa de tensioactivo se ha estudiado centrándose en tres aspectos

diferentes: la influencia de la concentración de electrolito en la subfase, el

efecto del tipo de anión (serie Hofmeister) y el efecto del catión. En este último

caso, se seleccionan sales de distintos cationes divalentes y que tengan el anión

común nitrato.

Efecto de la concentración de electrolito en la subfase sobre la monocapa

del tensioactivo

Para estudiar el efecto de la concentración de electrolito sobre la

monocapa se preparan subfases en las que se varía la concentración de bromuro

sódico entre 0.01 M y 0.4 M. La Figura IV.1.7 muestra las isotermas de

compresión del tensioactivo geminal obtenidas a 293 K.


Figura IV.1.7. Influencia de la concentración de NaBr en las isotermas de presión-área para

monocapas de tensioactivo geminal a 293 K: Agua, 0.01 M NaBr, 0.02 M NaBr, 0.05 M NaBr,

0.20 M NaBr y 0.4 M NaBr.

Los resultados presentados en la Figura IV.1.7 indican que a medida

que aumenta la concentración de electrolito en la subfase la isoterma se

desplaza hacia menores valores de área por molécula, es decir se vuelve más

comprimida. Para obtener una información cualitativa de este comportamiento

se analizó la variación del área por molécula correspondiente al estado

superficial de líquido expandido con la concentración de bromuro sódico.

El área ocupada por molécula se obtiene extrapolando a presión cero en

la zona de LE de la isoterma como se muestra en la Figura IV.1.8. En la Figura

IV.1.9 se muestra la variación del área por molécula en las monocapas del

tensioactivo con la concentración de NaBr en la subfase.

0

10

20

30

40

Agua

[NaBr] 0.01 M

[NaBr] 0.02 M

[NaBr] 0.05 M

[NaBr] 0.2 M

400200 300


mN

m-1

100

[NaBr] 0.4 M


Figura IV.1.8. Área extrapolada a presión cero en la región LE de la isoterma presión-área de

tensioactivo geminal a 293 K, subfase NaBr 0.20 M.

Figura IV.1.9. Variación del área por molécula de la monocapa de tensioactivo geminal con la

concentración de NaBr disuelto en la subfase.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.080

90

100

110

120

Áre

a po

r m

oléc

ula

(Å2 )

[NaBr] / M

Agua

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

0

5

10

15

20

25

30


m

N m

-1


En la Figura IV.1.9 se observa una rápida disminución del área por

molécula a medida que aumenta la concentración de NaBr, hasta alcanzar la

máxima condensación de la monocapa, en la que el área por molécula

permanece constante en concentraciones superiores a 0.1 M de NaBr en la

subfase. Una tendencia similar se observa para otras sales estudiadas.

Este comportamiento es típico en monocapas de tensioactivos iónicos36

y se atribuye a que iones de carga contraria al tensioactivo, en este caso los

iones bromuro, apantallan la carga del tensioactivo, por lo que disminuyen las

fuerzas repulsivas entre las cabezas polares del tensioactivo geminal,

permitiendo un mayor acercamiento entre ellas, y por lo tanto un mayor

empaquetamiento de las moléculas adsorbidas en la interfase.

A partir de los valores experimentales de presión superficial se ha

calculado también la elasticidad de equilibrio, εo, ec. [IV.1.1] y se ha

comparado con los valores de elasticidad obtenidos cuando la subfase es agua

(Figura IV.1.5).

En la Figura IV.1.10 se comprueba que las isotermas de elasticidad de

las monocapas sobre subfase NaBr tienen la misma morfología que las

correspondientes a la subfase acuosa y los valores de la elasticidad permiten

identificar los distintos estados en los que se encuentran las moléculas en la

monocapa. Aunque la morfología de las isotermas es similar a las del agua, se

observan dos diferencias importantes. La primera es que las regiones se

desplazan hacia áreas menores respecto a las isotermas preparadas en subfase

de agua, y que el máximo valor de la elasticidad aumenta en presencia de NaBr

en la subfase, de 60 mN m-1 a 85 mN m-1.


Figura IV.1.10. (a) Isoterma presión-área a 293 K del tensioactivo geminal 18-2-18 sobre

subfase de bromuro de sodio 0.2 M. (b) Variación de la elasticidad de equilibrio con el área

por molécula.

Mediante microscopía de Ángulo Brewster se observó la morfología de

las monocapas de tensioactivo en las distintas regiones para monocapas

preparadas sobre la subfase iónica. En la Figura IV.1.11 se muestran dichas

imágenes de la monocapa realizadas a diferentes concentraciones superficiales

de tensioactivo y 293 K para la monocapa preparada sobre subfase NaBr 0.2

M.

0

10

20

30

100

0

50

100

LE

b

/ m

N m

-1

a

0 / m

N m

-1 G o G-LE



Figura IV.1.11. Imágenes obtenidas por BAM de la monocapa de tensioactivo geminal sobre

una subfase de NaBr 0.2 M para las regiones de la isoterma: (a) LE y (b) G-LE.

La Figura IV.1.11 no muestra dominios en el estado de líquido

expandido, Figura IV.1.6a, mientras que en la zona del plateau de la isoterma

se observan dominios tubulares, Figura IV.1.6b. Estos dominios son mayores

que los observados en agua (Figura IV.1.6) Esto podría ser debido a que al

disminuir las repulsiones, por apantallamiento de la carga del tensioactivo por

los iones en la subfase, las atracciones entre las cadenas hidrocarbonadas

aumentan formándose dominios de mayor tamaño. La existencia de dominios

en esta región vuelve a poner de manifiesto la coexistencia de estados gas-

líquido expandido.

Nuestros resultados muestran un comportamiento típico en el que la

adición de electrolitos en la subfase apantalla la carga de las cabezas polares

del tensioactivo y en consecuencia permite un mayor empaquetamiento de las

moléculas en la monocapa.

Efecto del anión del electrolito sobre la monocapa del tensioactivo. Serie

Hofmeister.

Para evaluar este aspecto se seleccionaron sales cuyos aniones se

encuentran clasificados según la serie Hofmeister. Se estudia la influencia de

b a


los aniones disueltos en la subfase sobre las propiedades de la monocapa de

tensioactivo empleando sales sódicas de: cloruro, bromuro, nitrato, perclorato,

ioduro y tiocianato. La concentración del anión disuelto en la subfase se ha

mantenido constante en 0.20 M, para todas las sales estudiadas, ya que a esta

concentración las moléculas de tensioactivo en la interfase están en el estado

más comprimido, según el estudio de la influencia de la concentración

presentado anteriormente.

En la Figura IV.1.12. se presentan las isotermas de presión superficial-

área por molécula (-A) para las monocapas del tensioactivo geminal 18-2-18

sobre subfases en las que se disuelven sales de sodio de diferentes aniones

representativos en la serie Hofmeister. Las isotermas se han obtenido a 293 K.

Figura IV.1.12. Isotermas de presión superficial obtenidas a 293 K para las monocapas de

Langmuir de tensioactivo geminal preparadas sobre subfases que contienen una concentración

0.2 M de los siguientes aniones: a) agua, b) cloruro, c) nitrato, d) bromuro, e) ioduro, f)

perclorato, g) tiocianato. El catión en todos los casos es Na+.

80 90 100 110

0

10

20

30

75 100 125 150

0

10

20

30

/ m

N m

-1


efg

/ m

N m

-1


ab

c

d


Las isotermas obtenidas para todos los aniones estudiados presentan

una morfología similar a la observada para monocapas preparadas sobre

subfase agua. Sin embargo, se puede apreciar un desplazamiento de las

isotermas a áreas menores, es decir, monocapas más condensadas, según el

orden: SCNClOIBrNOClagua 43 . En la Figura IV.1.13

se representa el área por molécula calculada a partir de la extrapolación a

presión cero de la isoterma en la región más empaquetada.

Figura IV.1.13. Área por molécula en la monocapa de tensioactivo geminal 18-2-18 para los

aniones de la serie Hofmeister y en subfase agua.

A partir de los valores de presión superficial se ha obtenido también la

elasticidad superficial de equilibrio, εo, de las monocapas del tensioactivo

geminal 18-2-18 preparadas sobre las distintas subfases iónicas. Los valores

obtenidos muestran que antes del colapso de la monocapa las moléculas se

encuentran en el estado de líquido expandido.

Las imágenes obtenidas por BAM de las regiones más diluidas de las

monocapas preparadas sobre diferentes subfases salinas muestran la presencia

80

90

100

110

120

SCN -I - ClO

4

-

Agua

Br-

NO3

-

Áre

a po

r m

oléc

ula

(Å

2 )

Cl -


de dominios, Figura IV.1.14. Por lo tanto, tal y como ocurría en las monocapas

preparadas sobre agua, esa región correspondiente a la zona del plateau de las

isotermas π-área se adscribe a una coexistencia de fases gaseosa-líquido

expandido (G-LE) en la que existen dominios en el estado gaseoso, ya que en

la región de LE no se observan dominios.

Figura IV.1.14. Imágenes de BAM de las regiones G-LE de las isotermas del tensioactivo

geminal sobre diferentes subfases salinas. Dimensiones de las imágenes: 350x270 m.

El área por molécula extrapolada a presión superficial cero y los valores

del máximo de elasticidad de equilibrio para el estado LE se recogen en la

Tabla IV.1.1. A efectos comparativos la tabla también presenta los valores

correspondientes para la monocapa sobre subfase agua. El área por molécula

para la monocapa sobre agua es 124 Å2. Este valor está de acuerdo con el área


molecular obtenida para el mismo tensioactivo geminal con tres grupos

metileno como espaciador, 18-3-18, (1.28 nm2).20 En monocapas preparadas

sobre subfases salinas el valor del área por molécula disminuye según la serie:

SCNClOIBrNOClagua 43 , y el máximo valor de la

elasticidad superficial de equilibrio aumenta al avanzar en la serie. Estos

hechos pueden atribuirse al apantallamiento de la carga eléctrica del

tensioactivo por los electrolitos disueltos en la subfase. Así, cuando la carga

eléctrica del tensioactivo absorbido en la interfase es apantallada, las

repulsiones disminuyen, aumentando el empaquetamiento de las cadenas y la

elasticidad de la monocapa.

Tabla IV.1.1. Máximo de elasticidad superficial de equilibrio y valores de área por molécula

para monocapas de tensioactivo geminal en el estado LE sobre diferentes subfases.

Para intentar explicar el comportamiento observado al variar el anión

del electrolito, se ha obtenido información adicional sobre la influencia de los

aniones sobre la monocapa de tensioactivo geminal con el potencial superficial.

En la Figura IV.1.15 se presentan las isotermas de potencial superficial para el

tensioactivo geminal sobre subfases iónicas de algunos aniones de la serie

Hofmeister.

Subfase ε max / mN m-1 Área por molécula (Å2)

Agua

NaCl

NaNO3

NaBr

NaI

NaClO4

NaSCN

60

75

85

85

100

110

120

124

113

100

93

92

91

89


100 200 300 400 5000.0

0.2

0.4

0.6


V

/ V

Figura IV.1.15. Isotermas de potencial superficial a 293 K de las monocapas de tensioactivo

geminal preparadas sobre diferentes subfases: (círculos) agua; (triángulos) 0.20 M NaCl y

(cuadrados) 0.20 M NaClO4.

Las isotermas de potencial superficial de las monocapas preparadas

sobre diferentes subfases salinas muestran la morfología típica de un

tensioactivo iónico, ya que al aumentar la concentración superficial, menor

área, las moléculas del tensioactivo se orientan más perpendiculares a la

interfase por lo que aumenta el valor de la componente normal del vector

momento dipolar (ecuación III.9), aumentando así el potencial eléctrico en la

superficie.34

Por otra parte, los resultados en la Figura IV.1.15 muestran que los

valores de potencial superficial son siempre positivos, como corresponde a una

monocapa formada por moléculas de tensioactivo catiónico. Además, el

potencial superficial a un determinado valor de área disminuye según la serie:


SCNClOIBrNOClagua 43

Todos estos resultados indican que los aniones tienen distinta habilidad

para compensar la carga eléctrica del tensioactivo. Este comportamiento es

congruente con el efecto de ion específico observado en otras monocapas

catiónicas,4 Figura IV.1.16. Otros efectos específicos de aniones se han

observado en las propiedades de monocapas con tensioactivos

zwitteriónicos.37-39

Figura IV.1.16. Esquema del comportamiento de los iones de la serie Hofmeister en la subfase

de una monocapa del tensioactivo catiónico.4

De acuerdo con la interpretación dada por Gurau, el efecto de la adición

de sales en la subfase sobre las propiedades de equilibrio de las monocapas de

tensioactivo depende de la habilidad de los aniones para compensar la carga

eléctrica de los tensioactivos absorbidos en la interfase aire-agua. Los aniones

van a ser atrapados en mayor o menor medida por las cabezas hidrófilas del

tensioactivo geminal penetrando en la monocapa para actuar como puente entre

las cabezas catiónicas del tensioactivo Esto va a disminuir la repulsión entre

ellas, permitiendo así una mayor compactación de la monocapa.

Los resultados demuestran que la habilidad de los aniones para


apantallar la carga del tensioactivo catiónico aumenta en el orden:

SCNClOIBrNOCl 43 . Este orden coincide con la serie

Hofmeister de aniones, Esquema IV.1.1, excepto un cambio en el orden entre

los aniones bromuro y nitrato.

SCNClOINOBrClHPOSOOHC 4324

24

3756

Esquema IV.1.1. Serie Hofmeister de aniones.40

La serie Hofmeister fue establecida para ordenar los aniones basándose

en su habilidad para precipitar proteínas en disoluciones acuosas.40 Se conoce

que hay una amplia variedad de procesos que siguen esta serie, tales como

solubilidad de sales, potencial zeta, actividad de electrolitos, concentración

micelar crítica, estabilidad coloidal, etc.41

La anomalía observada por la inversión entre el ion nitrato y bromuro

puede estar relacionada con un factor que afecte el comportamiento de los

iones al acercarse a la interfase, como podría ser un cambio en la estructura del

ion cuando pasa de la disolución a la interfase. Mientras que los haluros,

cloruro y bromuro, son esféricos, el nitrato con una estructura triangular plana

tendía más dificultades para penetrar en la interfase. Recientemente, resultados

teóricos42-44 y experimentales45-48 han ilustrado la influencia de la serie

Hofmeister en la afinidad de aniones por la interfase aire-agua. Los

experimentos obtenidos mediante espectroscopia vibracional de suma de

frecuencias (VSFG)45, 48 y generación del segundo armónico (SHG)49, indican

que la afinidad de los aniones por la interfase aumenta según la serie

Hofmeister. Un resultado especialmente relevante obtenido mediante VSFG

muestra la existencia de bandas correspondientes a la vibración de tensión

simétrica de los iones .50, 51 El hecho de que la tensión simétrica pueda ser

observada por VSFG apunta a cambios en la estructura de los iones


adsorbidos en la interfase, respecto a su estructura en disolución, ya que la

tensión simétrica de la estructura plana del en disolución, simetría D3h,

no es activa en VSFG.50 Esta evidencia experimental podría ayudar a

interpretar nuestros resultados, ya que un cambio estructural de este tipo

permitiría al anión nitrato penetrar en mayor medida en la interfase y disminuir

las repulsiones entre las cargas positivas de las moléculas de tensioactivo,

dando lugar a un área menor, justificando así la inversión observada en el

orden entre los aniones bromuro y nitrato respecto a la serie Hofmeister.41

La espectroscopia vibracional de suma de frecuencias también ha

demostrado que los cationes divalentes aumentan la afinidad de los aniones por

la interfase aire-agua.50, 51 Por tanto, a continuación se estudia el efecto de la

adición de diferentes cationes divalentes en la subfase sobre las propiedades de

equilibrio de las monocapas de tensioactivo geminal 18-2-18.

Efecto de cationes divalentes en la subfase sobre la monocapa de

tensioactivo.

Para estudiar el efecto la presencia de cationes divalentes sobre la

estructura de las monocapas se seleccionaron los cationes divalentes del grupo

de metales alcalinotérreos. La elección de estas sales se basó en el creciente

uso de iones divalentes como Mg+2 y Ca+2 para la formación de agregados

estables, muy útiles en el transporte de fármacos.52 Para la obtención de estos

agregados se emplean mezclas de polímeros con tensioactivos a las que se

añaden sales de iones divalentes para lograr una unión más efectiva entre

ambos.52 Para el mejor conocimiento de su estabilidad es necesario conocer

cómo afectan los iones a las propiedades de la interfase, responsable de esta

estabilización. Puesto que una de las maneras de obtener información sobre las

propiedades de las interfases es el estudio de las monocapas de Langmuir aire-


agua, se ha estudiado el efecto que producen los cationes divalente sobre las

monocapas de tensioactivo geminal.

En la Figura IV.1.17 se presentan las isotermas de presión superficial-

área por molécula obtenidas para las monocapas de tensioactivo geminal

preparadas en subfases que contienen sales de nitrato de cationes divalentes.

Todas las subfases se han preparado con una concentración de sales de 0.1 M.

Figura IV.1.17. Isotermas de presión superficial para las monocapas de Langmuir del

tensioactivo geminal a 293 K sobre subfases que contienen sales de nitrato de diferentes

cationes divalentes: a) agua, b) magnesio, c) calcio, d) estroncio, e) bario. La concentración de

las sales en la subfase es de 0.1 M.

Como se aprecia en la Figura IV.1.17, las isotermas se desplazan a

menores valores de área por molécula a medida que se incrementa el tamaño

del catión divalente. Es decir, para una misma presión superficial, el área

ocupada por molécula de tensioactivo es menor a medida que aumenta el

tamaño del catión.

75 100 125 150 1750

10

20

30

40

/ mN

m-1


a

e

d

c

b


Se ha determinado el área ocupada por molécula por extrapolación de la

isoterma a presión cero. Los resultados se presentan en la Figura IV.1.18.

Figura IV.1.18. Variación del área ocupada por una molécula de tensioactivo con distintos

cationes divalentes disueltos en la subfase.

A la vista de los resultados obtenidos, el área que ocupan las moléculas

del tensioactivo geminal en la interfase en presencia de sales de nitratos de

cationes divalentes en la subfase sigue el orden siguiente Mg2+ > Ca2+ > Sr2+ >

Ba2+.

A partir de las isotermas de presión superficial se ha obtenido también

la elasticidad de equilibrio, εo, para el tensioactivo geminal sobre las distintas

subfases iónicas en las que se ha variado el catión divalente. El valor máximo

de εo aumenta según la serie Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+. Este aumento en la

elasticidad es debido a que al aumentar el tamaño del ion las moléculas de

tensioactivo se encuentran más empaquetadas formando una monocapa más

rígida. Por otra parte, aunque la elasticidad en estas subfases presenta un valor

superior al valor obtenido para la monocapa preparada sobre agua, sus valores

son menores que los de las monocapas preparadas sobre una subfase que

contiene aniones situados más a la derecha de la serie Hofmeister, Br -, ClO4-,

90

100

110

120

130

Ba2+

Agua

Sr2+

Ca2+

Áre

a po

r m

oléc

ula

(Å

2 )

Mg2+


anteriormente presentados. Los valores máximos de la elasticidad superficial

de equilibrio y del área por molécula extrapolada a presión superficial cero en

la región de líquido expandido se recogen en la Tabla IV.1.2, en la que también

se presentan los valores obtenidos para diferentes sales de perclorato de

cationes divalentes.

Tabla IV.1.2. Máximo de elasticidad superficial de equilibrio y valores de área por molécula

para monocapas de tensioactivo geminal preparadas en diferentes subfases salinas.

Los resultados en la Tabla IV.1.2 muestran que el área por molécula

disminuye al aumentar el tamaño del catión, y demuestran que la monocapa se

vuelve más empaquetada según el orden Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+. La

elasticidad aumenta siguiendo la misma serie. Estos resultados muestran la

importancia que tienen los contraiones en la afinidad de un anión por la

interfase aire-agua, y está de acuerdo con resultados teóricos53 y

experimentales50, 51 que estudian el efecto de los cationes divalentes en la

estructura de la interfase aire-agua. En estos trabajos se observó que la

concentración de cationes y aniones en la interfase crece según la serie:51 Mg2+

< Ca2+ < Sr2+ < Ba2+. Este comportamiento se relaciona con la capacidad de

formar pares iónicos entre el anión y los distintos cationes, y la mayor

interacción se producirá entre el anión y los cationes menos hidratados, mayor

tamaño.50 La mayor presencia de estos cationes en la interfase aumenta la

Subfase ε max /

mN m-1

Área por

molécula (Å2) Subfase

ε max /

mN m-1

Área por

molécula (Å2)

Agua

Mg(NO3)2

Ca(NO3)2

Sr(NO3)2

Ba(NO3)2

60

62

65

68

75

124

122

115

102

98

Agua

Mg(ClO4)2

Ca(ClO4)2

-

Ba(ClO4)2

60

84

88

-

103

124

97

94

-

85


concentración de aniones capaces de apantallar la carga del tensioactivo

disminuyendo las repulsiones entre las moléculas adsorbidas, obteniéndose así

monocapas más comprimidas.

IV.1.1.3. Películas Langmuir-Blodgett del tensioactivo geminal

Con el objetivo de evaluar la influencia de las subfases salinas sobre las

propiedades de las películas LB del tensioactivo geminal 18-2-18, se han

preparado películas de Langmuir sobre una subfase acuosa y sobre subfases

que contienen distintos electrolitos, que posteriormente se transfieren desde la

interfase aire-agua a mica utilizando la metodología Langmuir-Blodgett. La

morfología de las películas Langmuir-Blodgett se observa a través de las

imágenes obtenidas con Microscopía de Fuerza Atómica (AFM). En la Figura

VI.1.19 se muestran las imágenes y los perfiles de la sección transversal de las

películas LB preparadas a partir de monocapas de Langmuir del tensioactivo

sobre diferentes subfases para distintas concentraciones superficiales de

tensioactivo. En la Figura IV.1.19a se observa la imagen de la película LB

construida a partir de la monocapa de Langmuir en subfase agua

correspondiente al estado LE (=19 mN m-1 y =1.4 10-6 mol m-2). La imagen

muestra una película con una altura de perfil de AFM ~0.8 nm. Esta altura es

inferior a la longitud de la cadena hidrocarbonada de 18 átomos de carbono

totalmente extendida (2.4 nm)21, indicando que las moléculas de tensioactivo

no permanecen completamente verticales a esta presión superficial. Este

comportamiento es similar al observado previamente para películas LB de

otros tensioactivos geminales.20


Figura IV.1.19. Imágenes de AFM de las películas LB en mica de las monocapas de

tensioactivo geminal: (a) sobre subfase agua a la presión superficial de 19 mN m-1; (b) en

subfase salina de Ba(NO3)2 0.1 M a la presión superficial de 10 mN m-1 y (c) en subfase salina

0.1 M de Ba(ClO4)2 a 30 mN m-1.

Se ha explorado el efecto que producen las sales disueltas en la subfase

sobre la morfología de las películas LB. Para ello se transfieren monocapas de

Langmuir en estado LE preparadas sobre diferentes subfases salinas con la


misma concentración superficial de tensioactivo geminal que la película

preparada sobre subfase agua (= 1.4 10-6 mol m-2). En la Figura IV.1.19b se

presenta la imagen de AFM, y perfil de altura obtenido a partir de ella, para la

película LB preparada en una subfase de Ba(NO3)2 0.10 M a 10 mN m-1. La

imagen muestra una película prácticamente homogénea de moléculas de

tensioactivo con alturas de perfil entre 2 y 2.5 nm. Esta altura es similar a la

longitud de la cadena de la molécula tensioactivo, lo que indica que el

empaquetamiento de la monocapa de tensioactivo cuando su carga está

apantallada produce que las moléculas estén perpendiculares a la interfase. En

la Figura IV.1.19c se muestra la imagen de AFM de la película LB construida

transfiriendo una monocapa de Langmuir concentrada en el estado LE (=2.5

10-6 mol m-2) preparada sobre Ba(ClO4)2 0.10 M, a una presión mayor, de 30

mN m-1. Se observa una distribución homogénea, y una altura de perfil

promedio próxima a 2.5 nm. Cabe destacar que por debajo de la región de

colapso, incluso en las monocapas más concentradas, no se detecta la

formación de micelas en la superficie, este comportamiento es contrario a

resultados encontrados en monocapas de tensioactivos geminales catiónicos

con espaciadores mayores que el del tensioactivo 18-2-1818, en los cuales se

observan estructuras circulares atribuidas a la presencia de micelas

superficiales. Nuestro resultado concuerda con resultados de dinámica

molecular54 llevados a cabo con tensioactivos geminales, en los que se

demuestra que solamente los tensioactivos con espaciadores cortos (≤ 3 CH2)

dan monocapas estables, mientras que cuando la longitud del espaciador

aumenta, las moléculas de tensioactivo se mueven desde la interfase a la

monocapa por debajo de la interfase dando lugar a la formación de

agregados.54

De acuerdo con estos resultados es posible concluir que las imágenes de

AFM de las películas LB son congruentes con las propiedades de equilibrio de


las monocapas de Langmuir discutidas anteriormente. Así, las imágenes de

AFM revelan que las monocapas de tensioactivo geminal se vuelven más

empaquetadas y las moléculas están prácticamente perpendiculares a la

superficie cuando la carga eléctrica de las moléculas de tensioactivo está

apantallada de forma efectiva por iones disueltos en la subfase acuosa.

IV.1.2. Monocapas de Langmuir mixtas polímero PMAO/tensioactivo

geminal

A continuación se muestran los resultados del estudio de las monocapas

mixtas de Langmuir y películas de Langmuir-Blodgett formadas por mezclas

del polímero PMAO y el tensioactivo geminal 18-2-18.

Caracterización de las monocapas mixtas de polímero y tensioactivo

Un aspecto importante en el estudio de las monocapas mixtas es la

diferencia existente entre las isotermas en función del método de preparación.55

En la preparación de las monocapas mixtas de PMAO/tensioactivo geminal se

han ensayado dos metodologías de preparación diferentes. La primera de estas

metodologías consiste en la adición conjunta de ambos componentes

previamente mezclados en cloroformo, co-adición. En la segunda metodología,

denominada adición sucesiva, los dos componentes se disuelven por separado

en cloroformo y se depositan sobre la superficie acuosa en sucesivas adiciones.

En el caso de la metodología de adición sucesiva, se estudia el efecto

producido por el orden de adición de los componentes, para lo que inicialmente

se adiciona uno de los componentes, y después de que la monocapa alcanza el

equilibrio, se añade el otro compuesto, esperando el tiempo necesario para

alcanzar el nuevo equilibrio termodinámico. El mismo procedimiento se lleva a

cabo cambiando el orden de deposición de los componentes.


En la Figura IV.1.20 se muestran las isotermas obtenidas por

compresión para las mezclas PMAO/tensioactivo de fracción molar de

tensioactivo XGeminal = 0.3 utilizando ambos métodos: co-adición y adición

sucesiva cambiando el orden de adición de los componentes sobre la

monocapa.

Figura IV.1.20. Isotermas presión–concentración de tensioactivo (XGeminal = 0.3) obtenidas a

293 K en las que se estudia el efecto de la preparación de la monocapa mixta. La línea de

puntos corresponde a la adición sucesiva del polímero + tensioactivo, la línea rayada a la

adición sucesiva de tensioactivo + polímero y la continua a la co-adición de los dos

componentes.

Los resultados obtenidos indican que cuando los dos componentes se

añaden de forma consecutiva, por adición sucesiva en cualquier orden de

adición, la isoterma presenta unos valores similares dentro del margen de error

experimental. Sin embargo, cuando se lleva a cabo la deposición por co-

adición de los dos componentes (polímero/tensioactivo), se producen cambios

en la isoterma. La diferencia más significativa es que la monocapa mixta

obtenida por co-adición es más comprimida que cuando ésta se ha formado por

adición sucesiva de los componentes. Así, a una misma presión superficial la

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.60

10

20

30

40

50

Geminal

/ mg m-2

/ mN

m-1


concentración superficial es mayor en la isoterma obtenida por co-adición, en

todo el margen de presiones estudiado. Este hecho podría ser debido a que

cuando se prepara la disolución de los dos compuestos en cloroformo se

producen interacciones de tipo atractivo entre el tensioactivo y el polímero, de

manera que al depositar estas moléculas en la interfase ocupan un área menor

que la que ocuparían al adsorberse por adición consecutiva, como se ha

observado en otras monocapas mixtas de polímero y tensioactivo.25

Las monocapas obtenidas por ambas metodologías son estables, sin

embargo, las más empaquetadas y reproducibles se obtuvieron siempre por el

método de co-adición. Puesto que este comportamiento se observa para todas

las mezclas, se escoge este procedimiento para preparar las monocapas mixtas

de Langmuir precursoras de las películas LB. Nuestros resultados concuerdan

con los obtenidos por otros autores que han demostrado que este es el mejor

método para obtener monocapas mixtas estables formadas por polímeros y

tensioactivos.55

Está establecido que las monocapas mixtas polímero/tensioactivo

presentan efectos sinérgicos sobre las propiedades superficiales,32 como es la

concentración superficial. Puesto que los efectos sinérgicos están normalmente

relacionados con interacciones atractivas entre los componentes en la interfase,

para confirmar este hecho se lleva a cabo un estudio termodinámico de estas

mezclas registrando las isotermas de presión superficial de monocapas mixtas

con distinta composición. En la Figura IV.1.21 se presentan las isotermas de

presión superficial obtenidas a varias composiciones.


25 50 75 100 1250

20

40

60

3

2

Geminal

/ m

N m

-1

Área por unidad repetida / Å2

PMAO1

Figura IV.1.21. Isotermas de presión superficial de las monocapas de Langmuir mixtas

PMAO/tensioactivo geminal obtenidas a 293 K a una fracción molar de tensioactivo de: 0.25

(1); 0.33 (2); 0.40 (3); las isotermas de presión superficial del PMAO y el tensioactivo geminal

también se presentan.

El comportamiento ideal de una monocapa mixta está relacionado con

la miscibilidad de sus componentes,31 y se estudia por medio de la dependencia

del área de exceso, Aexc, con la composición de la mezcla. El área de exceso se

calcula mediante la expresión:31

A A A A [IV.1.2]

donde A12 representa el área media por molécula en la monocapa mixta

obtenida en la isoterma, y A1, A2 son las áreas por molécula experimentales de

los componentes puros al mismo valor de presión superficial. X1 y X2

representan la fracción molar de cada componente en la interfase.


El área de exceso puede ser cero cuando los dos componentes son

inmiscibles o cuando los componentes forman una mezcla ideal. Por otro lado,

áreas de exceso distintas de cero son características de interacciones entre los

componentes.31

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-20

-10

0

Aex

c / Å

2

XGeminal

mezcla ideal

Figura IV.1.22. Área de exceso molecular (Aexc) frente a la fracción molar de tensioactivo en

las monocapas mixtas PMAO/tensioactivo geminal.

En la Figura IV.1.22 se presentan los valores de área de exceso, Aexc,

frente la fracción molar de tensioactivo geminal, XGeminal. En todo el intervalo

de composiciones existen desviaciones negativas del área de exceso. Este

comportamiento indica la existencia de interacciones atractivas entre las

moléculas en la interfase, resultando monocapas altamente empaquetadas cuya

elasticidad es también mayor que la que presentan las monocapas de los

componentes puros, como se muestra en la Figura IV.1.23.


0 10 20 30 40 500

100

200

0 / m

N m

-1

/ mN m-1

2

PMAO

Geminal

Figura IV.1.23. Elasticidad superficial de equilibrio frente a la presión superficial para las

monocapas de Langmuir de PMAO, tensioactivo geminal y mezclas PMAO/tensioactivo

geminal (XGeminal=0.33) (2).

Puesto que las mayores desviaciones del comportamiento ideal

corresponden a la composición XGeminal = 0.33, se transfiere una monocapa de

Langmuir mixta de esta composición. Se ha seleccionado una monocapa de

presión superficial 30 mN m-1 ya que corresponde a un estado de alta densidad

superficial, con un valor alto de elasticidad de equilibrio (Figura IV.1.23), en el

cual la monocapa no ha alcanzado el colapso. La imagen de AFM de esta

película LB se presenta en la Figura IV.1.24, y muestra una película

prácticamente continua de moléculas de polímero y tensioactivo con una altura

del perfil de AFM ~2 nm.


Figura IV.1.24. Imágenes 2D (a) y 3D (b) de AFM de películas LB mixtas

PMAO/tensioactivo geminal (fracción molar de Geminal 0.33), transferidas a la presión

superficial de 30 mN m-1 sobre mica.

IV.1.3. Conclusiones

A lo largo de este capítulo se han presentado e interpretado los

resultados correspondientes a las propiedades de las monocapas del

tensioactivo geminal 18-2-18 sobre subfase acuosa, así como, el efecto

producido por la presencia de iones en la subfase sobre las propiedades de

dicha monocapa. Además se ha estudiado la estructura y propiedades de las

monocapas mixtas formadas por mezclas PMAO/tensioactivo geminal. Las

conclusiones más importantes se resumen a continuación:

El tensioactivo geminal catiónico 18-2-18 forma monocapas estables de

tipo Langmuir tanto sobre una subfase acuosa como sobre disoluciones de

electrolitos. Además, las isotermas preparadas sobre una subfase salina son

más comprimidas que las preparadas sobre subfase acuosa.

La presencia de aniones en la subfase acuosa influye en las

características superficiales de la monocapa del tensioactivo geminal catiónico

18-2-18, de acuerdo con la serie de iones Hofmeister con una alteración en el

orden entre los aniones bromuro y nitrato en la serie. Por otro lado, para un


mismo anión, el contraión también influye en las propiedades superficiales de

las películas de tensioactivo geminal, de forma que los cationes de mayor

tamaño dan lugar a monocapas más comprimidas.

Las monocapas de 18-2-18 pueden transferirse a sustratos de mica

utilizando la metodología LB. Las imágenes de AFM de estas películas

muestran que las moléculas de tensioactivo están más empaquetadas y se

colocan orientadas perpendicularmente a la interfase cuando los aniones

apantallan eficazmente la carga eléctrica de los grupos catiónicos del

tensioactivo. Por otro lado, no se observan agregados micelares en la interfase

con el tensioactivo 18-2-18, como ocurre en las películas LB de tensioactivos

geminales con espaciadores de mayor número de átomos de carbono.18

Las conclusiones obtenidas sobre la estructura y propiedades de las

monocapas mixtas formadas por el polímero PMAO y el tensioactivo geminal

18-2-18 muestran que las monocapas mixtas están altamente empaquetadas,

dando lugar a desviaciones negativas del área de exceso indicativas de

interacciones atractivas entre las moléculas en la interfase, y dando lugar a

monocapas más elásticas que los componentes puros. Las monocapas mixtas

que presentan mayor empaquetamiento y un máximo de elasticidad de

equilibrio corresponden a aquellas con una composición en fracción molar de

tensioactivo próxima a 0.33. La imagen de AFM de esta monocapa transferida

a mica por la metodología LB muestra una película prácticamente continua con

una altura de perfil de ~2 nm, compatible con la longitud de las cadenas

hidrocarbonadas de 18 átomos de carbono del polímero PMAO y del

tensioactivo geminal 18-2-18.


IV.1.4. Bibliografía

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tensioactivo geminal y polímero

Preparación y caracterización de películas de QDs con tensioactivo geminal y polímero 159 _____________________________________________________________________________________________________________________


tensioactivo geminal y polímero

Los puntos cuánticos, Quantum Dots, son nanocristales semiconductores

emisores de fluorescencia que en los últimos años están siendo considerados

excelentes candidatos para ser utilizados como biosensores1, para aplicaciones

biomédicas2, como marcadores para obtener imágenes selectivas en

organismos vivos3 y como dispositivos fotovoltaicos4, 5 u optoelectrónicos.6

Para estas últimas aplicaciones tecnológicas es necesario disponer estas

nanopartículas sobre un sustrato sólido.7 La transferencia de dicho tipo de

material a sólidos, requiere la organización de las nanopartículas en estructuras

ordenadas que pueden dar lugar a propiedades diferentes, las cuales dependen

de la morfología de la película de nanopartículas.8-12 Estas nanopartículas

tienden a aglomerarse debido a interacciones atractivas entre ellas13, 14 y a la

poca afinidad que generalmente tienen con los sólidos utilizados como soporte,

lo cual hace disminuir la calidad de los dispositivos. Por este motivo, los

esfuerzos más recientes están dirigidos a la utilización de polímeros y

tensioactivos para minimizar la agregación 3D de las nanopartículas. A pesar

del gran interés que este tema ha generado en los últimos años, y el elevado

número de trabajos realizados, sigue siendo un tema de gran actualidad dirigido

al desarrollo de materiales multifuncionales con nuevas propiedades eléctricas,

magnéticas y ópticas.15

El autoensamblaje se ha establecido como una técnica eficaz en la

preparación de diferentes tipos de nanomateriales. Concretamente, las películas

delgadas de compuestos orgánicos pueden servir para la fabricación de

dispositivos basados en QDs, en un intento de conseguir materiales

suficientemente dispersos en los que la aglomeración de las nanopartículas sea

minimizada.16 La metodología Langmuir-Blodgett permite la variación de la

densidad de partículas, espaciado y disposición comprimiendo las películas

160 Preparación y caracterización de películas de QDs con tensioactivo geminal y polímero _____________________________________________________________________________________________________________________

mediante barreras. Por tanto ofrece la posibilidad de preparar películas

reproducibles de nanopartículas, controlando la distancia interpartícula

necesaria para utilizar los nanomateriales en diferentes aplicaciones

tecnológicas.17, 18

En este trabajo se han seleccionado dos moléculas anfifílicas para dirigir

la organización de los QDs: el polímero PMAO y el tensioactivo geminal 18-2-

18. Estas moléculas podrían anclarse al sustrato hidrófilo a través de su parte

polar mientras a través de interacciones entre las cadenas hidrocarbonadas del

compuesto anfifílico y el estabilizante de las nanopartículas favorecen la

adhesión de los QDs al sólido. Se ha escogido el polímero PMAO ya que está

demostrado que interacciona con nanopartículas hidrófobas estabilizándolas y

evitando su agregación.19-22 Además, se han incorporado de forma efectiva

nanopartículas estabilizadas con PMAO sobre sustratos sólidos con la

metodología LB,23 y las películas delgadas de PMAO se han utilizado para

compatibilizar los QDs con aplicaciones como biosensores.24

Además de polímeros, con frecuencia se utilizan también tensioactivos

para controlar el autoensamblaje de nanomateriales.25-27 En particular los

tensioactivos geminales, formados por dos monómeros de tensioactivo unidos

por un espaciador, presentan una elevada adsorción sobre superficies sólidas

además de compatibilidad biológica.28, 29 Así, las películas LB de tensioactivos

geminales como el 18-4-18 y 18-12-18 se han utlizado para recubrir sustratos y

mejorar la adsorción de macromoléculas como es el colágeno sobre sólidos.30

Otros trabajos han propuesto combinar este tipo de tensioactivos con ADN

para aplicaciones biotecnológicas.31, 32 De acuerdo con esto, se espera que las

películas LB del tensioactivo geminal 18-2-18 sean efectivas para utilizarlas

como recubrimiento de sustrato en la deposición de QDs.


En este capítulo se estudian las propiedades de películas de Langmuir-

Blodgett (LB) formadas por QDs y sistemas autoensamblados como son el

polímero PMAO o el tensioactivo geminal 18-2-18 y sus mezclas. Uno de los

factores que puede influir en la morfología de las películas es la metodología

de preparación, por lo que en la primera parte de este capítulo se presentan los

resultados obtenidos para la preparación de películas LB de QDs en matrices

de PMAO, tensioactivo geminal y mezclas de ambos compuestos. Esta primera

metodología denominada co-spreading, consiste en preparar las monocapas de

Langmuir mixtas a partir de mezclas de QDs con el tensioactivo o polímero.

Estas monocapas se caracterizan mediante la determinación de sus propiedades

termodinámicas, y se estudia su morfología a través de diversas técnicas

microscópicas.

La segunda metodología de preparación de las películas de QDs sobre

sólidos consiste en modificar las propiedades superficiales de los sólidos

cubriéndolos con monocapas autoensambladas.30, 33-36 Esta estrategia facilita la

incorporación de las nanopartículas en los sólidos mejorando el mojado de las

mismas. Una de las dificultades de la aplicabilidad de las películas de QDs

proviene de los procesos de dewetting, que inducen la agregación de las

nanopartículas deteriorando las propiedades físicas de las películas.37 Con este

objetivo en mente, en los resultados presentados en la segunda parte de este

capítulo, se ha recubierto el sustrato sólido con películas LB de polímero,

tensioactivo o mezclas de ambos, depositando posteriormente la película LB de

QDs. Se estudia el efecto del recubrimiento del sustrato, así como la influencia

del tipo de material utilizado sobre la organización de los QDs.

Puesto que las películas de QDs más regulares se obtienen con esta

metodología de preparación; y además en un trabajo previo realizado por

nuestro grupo se demostró que esta metodología conduce a películas con

mayor intensidad de emisión de fotoluminiscencia,38 en la última parte de este


capítulo se estudian las propiedades fotoluminiscentes de estas películas de

QDs con la técnica de microscopía de fluorescencia de tiempos de vida

(FLIM). Se aborda el estudio de las propiedades de emisión de fluorescencia ya

que es un factor esencial para la aplicación de QDs como componentes en la

fabricación de LEDs.7, 39, 40

IV.2.1. Películas mixtas de Langmuir y Langmuir-Blodget de QDs con

matrices de PMAO y tensioactivo geminal

IV.2.1.1 Películas mixtas de QDs y polímero PMAO

Con el objetivo de organizar los QDs en matrices ordenadas de dos

dimensiones (2D), se preparan películas de Langmuir mixtas formadas por el

polímero PMAO como matriz y QDs de CdSe. Se ha estudiado el efecto de la

composición preparando películas que contienen distinta fracción molar de

polímero PMAO, XPMAO, definida como:

)( QDPMAO

PMAOPMAO nn

nX

[IV.2.1]

En esta ecuación n PMAO representa la cantidad de polímero en términos

de unidad repetida, es decir por unidad de monómero, y n QD es la cantidad de

QDs. Las monocapas de Langmuir mixtas formadas por el polímero PMAO y

CdSe QDs se transfieren de la interfase aire–agua sobre mica utilizando la

metodología LB. Estas monocapas de Langmuir se transfieren por compresión

simétrica de barreras (5 mm min-1), con el sustrato sumergido en la subfase

elevándolo verticalmente a una velocidad de 5 mm min-1.


Como se comentó en el capítulo anterior, las propiedades de una

monocapa mixta dependen de la técnica de deposición utilizada.41, 42 Para

preparar monocapas mixtas de PMAO y QDs se pueden utilizar los dos

métodos descritos: la adición de una disolución que contiene ambos

componentes previamente mezclados, co-adición, y la adición por separado de

cada uno de los componentes disueltos en cloroformo, denominado adición

sucesiva e independiente.

Para escoger la técnica que conduce a los mejores resultados, mayor

cantidad depositada y mayor reproducibilidad, se comparan las isotermas de

QDs con polímero o tensioactivo por ambas metodologías. Un ejemplo

ilustrativo de estos resultados se presenta en la Figura IV.2.1. Los resultados

muestran que por ambos métodos las isotermas son estables, sin embargo las

monocapas más reproducibles y empaquetadas se obtienen utilizando la

metodología de co-adición.

0.004 0.008 0.0120

20

40

/ mN

m-1

PMAO

/ mg m-2

Figura IV.2.1. Isotermas presión–concentración de polímero (XPMAO = 0.5) obtenidas a 293 K

en las que se estudia el efecto de la preparación de la monocapa mixta PMAO/QDs. La línea de

puntos corresponde a la adición del QDs, + polímero la línea rayada a la adición de polímero +

QDs y la continua a la co-adición de los dos componentes.


Este mayor grado de empaquetamiento podría deberse a la existencia de

interacciones entre las moléculas de QDs y el polímero o tensioactivo. Puesto

que este comportamiento se observa para todas las mezclas, se ha escogido este

método para preparar las películas de Langmuir mixtas precursoras de las

películas LB. Además, este método ha demostrado ser el mejor para obtener

monocapas mixtas estables en múltiples sistemas formados por

tensioactivos/polímeros,41 polímeros/nanopartículas43 y

tensioactivos/nanopartículas.42 En el caso de nuestro sistema, se espera que las

películas LB obtenidas presenten una distribución homogénea de QDs,

evitando la formación de estructuras en 3D debido a la interacción entre la

matriz de PMAO o tensioactivo geminal con el sustrato y con los QDs.

La Figura IV.2.2 muestra las isotermas del polímero PMAO y de las

monocapas mixtas PMAO/QDs, preparadas por co-adición a diferente

composición. Como se observa, la morfología de estas curvas cambia con la

composición superficial, de modo que la isoterma con mayor proporción de

polímero (4), XPMAO= 0.98, es similar a la isoterma de PMAO puro, alcanzando

el colapso a valores de presión superficial mayores que las mezclas con menos

cantidad de polímero.



PMAO/QDs a la fracción molar de polímero de: 0.1 (1); 0.5 (2); 0.75 (3); 0.98 (4) y PMAO

puro (5).

Para conocer los estados superficiales en los que se encuentra la

monocapa en cada composición superficial, se ha obtenido la elasticidad de

equilibrio a partir de las isotermas de presión superficial y la ecuación IV.1.1.

Los resultados se presentan en la Figura IV.2.3, donde se muestra la variación

de la elasticidad superficial de equilibrio, 0, frente a la presión superficial para

las distintas isotermas.

1E-3 0.01 0.1 10

20

405432

PMAO

/ mg m-2

/ m

N m

-1 1


0 20 40

0

50

100

150

PMAO X

PMAO= 0.98

XPMAO

= 0.75

XPMAO

= 0.50

XPMAO

= 0.10

/ mN m-1

0 / m

N m

-1

Figura IV.2.3. Elasticidad superficial de equilibrio vs. presión superficial para las monocapas

de Langmuir mixtas PMAO/QDs a la fracción molar de polímero de: 0.1 (); 0.5 (); 0.75

(); 0.98 (); PMAO puro ().

Las isotermas de presión superficial y de elasticidad de equilibrio

obtenidas para el polímero PMAO presentan la tendencia característica de las

monocapas de un polímero, en las que la elasticidad de equilibrio aumenta con

la concentración superficial hasta que alcanza un valor máximo. Más allá de

ese valor, la elasticidad de equilibrio, 0, disminuye ya que las moléculas de

polímero están muy próximas y los grados de libertad conformacional de las

cadenas de polímero disminuyen, dando lugar a la disminución de la

elasticidad.41, 44 Antes de alcanzar el valor máximo, la elasticidad de equilibrio

aumenta a distinta velocidad por debajo y por encima del valor de presión

superficial de 4 mN m-1. Alrededor de este valor de presión superficial la

elasticidad de equilibrio alcanza un valor correspondiente al estado superficial

líquido condensado (LC).


10 20 30 400

20

40

/ mN

m-1

QD

/ mg m-2

a

0 10 20 30 40 50

0

50

100

/ m

Nm

-1

/ mNm-1

b

En las monocapas mixtas PMAO/QDs, Figura IV.2.3, el valor de la

elasticidad de equilibrio, 0, disminuye drásticamente comparando con los

valores obtenidos para la monocapa de polímero. Esta disminución se observa

incluso en las monocapas con pequeña concentración de QDs en la mezcla,

XPMAO= 0.98. De forma contraria a lo que ocurre en las monocapas de

polímero, los valores de elasticidad para las monocapas mixtas PMAO/QDs

corresponden al estado superficial de líquido expandido (LE). Este

comportamiento apunta a una interdigitalización de las cadenas de polímero

con las cadenas del ligando estabilizador de los QDs, óxido de trioctil fosfina

(TOPO). De este modo, la interdigitalización del PMAO y los QDs impide la

interacción ente las moléculas de polímero, evitando la formación del estado

superficial líquido comprimido (LC) de la monocapa de polímero.

En la Figura IV.2.4a y IV.2.4b se presentan la isoterma de presión

superficial y elasticidad de equilibrio obtenidas para la monocapa de QDs

preparada a 293K. Como se muestra en la figura la morfología es semejante a

las isotermas con baja concentración de polímero en la mezcla, referida como

isoterma 1 de la Figura IV.2.2.

Figura IV.2.4. (a) Isoterma de presión superficial y (b) elasticidad superficial de equilibrio de

la monocapa de QDs preparada a 293 K.

Las películas de Langmuir con diferente composición de PMAO fueron


transferidas desde la interfase aire-agua sobre sustratos sólidos a la presión

superficial de 30 mN m-1, utilizando la metodología Langmuir-Blodgett. La

presión superficial de 30 mN m-1, señalada en la Figura IV.2.3, coincide con el

valor máximo de elasticidad de las monocapas de polímero, donde se espera

obtener un alto recubrimiento de QDs, y la máxima organización de

nanopartículas en la matriz polimérica.

Para analizar la morfología de las películas LB se utilizan las técnicas de

elipsometría, SEM y AFM. Se ha analizado en primer lugar la estructura de las

películas LB de los componentes individuales, QDs y PMAO, depositados a 30

mN m-1, para tener una referencia sobre la que comparar las películas obtenidas

al depositar las mezclas. Las imágenes de AFM y la altura obtenida de los

perfiles de AFM se recogen en la Figura IV.2.5.a y IV.2.5.b, para las películas

de QDs y PMAO, respectivamente.

Figura IV.2.5. Imágenes de AFM de las películas de LB de (a) QDs y (b) PMAO transferidas

sobre mica a la presión superficial de 30 mN m-1.

Tal y como se muestra en la Figura IV.2.5.a, los QDs depositados

directamente sobre el sólido dan lugar a agregados con altura superior al

a

0 2 4 6 8 10 1205

1015

Z /

nm

X / m0 1 2 3 4 5 6 7

0

2

4

Z /

nm

X / m

2.3µm

b


diámetro de las nanopartículas lo que confirma la agregación 3D de los QDs,

tal y como ha sido descrito previamente.45 La formación de estos agregados 3D

se debe a las interacciones entre las cadenas hidrocarbonadas del ligando

estabilizador de los QDs (TOPO) y el sustrato sólido, en este caso mica, más

débiles que las interacciones de los QDs entre sí, favoreciendo la agregación

entre ellos. Las películas LB de polímero PMAO depositado sobre mica,

Figura IV.2.5.b, presentan por el contrario algunos agujeros producidos por el

proceso de secado de la película, conocido como proceso de dewetting. El

crecimiento de agujeros tiene lugar cuando la contribución de la fuerza

gravitatoria predomina sobre la energía interfacial y las fuerzas de van der

Waals. En esta situación, el dewetting comienza con la nucleación de agujeros

en defectos de la película, de modo que esta se rompe y el crecimiento de los

agujeros se produce al desplazarse material desde el núcleo hacia los bordes,

acumulándose en estos de forma que delimita un mosaico cuyas celdas están

centradas alrededor de los agujeros formados.46

Figura IV.2.6. Imágenes de (a) SEM y (b) AFM de las películas de LB mixtas de PMAO/QDs

a la fracción molar de polímero de 0.5. Las monocapas de Langmuir se transfieren a la presión

superficial de 30 mN m-1.

En la Figura IV.2.6 se presentan las imágenes obtenidas por SEM y AFM

de las películas LB mixtas PMAO/QDs a XPMAO = 0.5. Comparando estas

a

1.5µm

b


imágenes con la presentada en la figura IV.2.5.a, podríamos decir que la

adición del polímero PMAO incrementa el recubrimiento superficial de QDs

evitando los agregados 3D. Este hecho se puede interpretar considerando que

los QDs pueden adsorberse al polímero por interacciones atractivas entre las

cadenas de polímero y el ligando de los QDs (TOPO), mejorando así la

adhesión de los QDs sobre el sustrato sólido. La Figura IV.2.6a muestra la

imagen de SEM de las películas preparadas con una composición superficial de

XPMAO= 0.50. La figura muestra un mosaico hexagonal aparentemente bien

organizado, que si se observa a pequeña escala mediante AFM, Figura IV.2.6b,

muestra la coexistencia de distintos tipos de agregados como estructuras

hexagonales abiertas y aglomerados. El tamaño de los agujeros en los dominios

hexagonales se ha obtenido a partir de las imágenes de SEM y AFM, tomando

un promedio de 25 dominios por muestra. Los resultados estadísticos del

tamaño de los dominios se recogen en la Tabla IV.2.1.

Tabla IV.2.1. Tamaño promedio de los agujeros y bordes de los dominios hexagonales

observados en las películas LB mixtas de PMAO/QDs.

a Los valores reportados son valores promedio y el error representa la desviación estándar

determinada por al menos 25 medidas.

La altura de las películas determinada a partir de los perfiles de AFM

depende del agregado escogido. Es interesante destacar que la altura de perfil

de los bordes de los agujeros es de ~3 nm, lo cual es compatible con el

diámetro de los QDs (3.4 nm). El espesor de las películas se ha obtenido

Tamaño de hueco a

Matriz XMatriz X-dirección /

μm Y-dirección /

μm Tamaño de borde/μm

PMAO 0.50 2.1 ± 0.5 1.7 ± 0.7 0.75 1.2 ± 0.21 1.1 ± 0.4 0.98 0.16 ± 0.09 0.14 ± 0.06 0.10 ± 0.02


también por elipsometría, dando un valor de (5.0 ± 0.3) nm, que es ligeramente

superior a la altura de perfil determinada por AFM. Esta diferencia puede

deberse a que la elipsometría analiza un área mucho mayor que la microscopía

de AFM, por lo que el valor de espesor determinado por elipsometría es el

promedio de los espesores de diferentes agregados en la región seleccionada.

Cuando la concentración de polímero se incrementa hasta una fracción molar

de XPMAO = 0.98, se observa una película continua de QDs. Un ejemplo

ilustrativo de este hecho es la imagen obtenida con el elipsómetro, que se

presenta en la Figura IV.2.7a.

Figura IV.2.7. Imágenes obtenidas por (a) elipsometría y (b) AFM de las películas LB mixtas

de PMAO/QDs a la fracción molar de polímero de 0.98, transferidas a la presión superficial de

30 mN m-1.

En la imagen de elipsometría de la película se observa un elevado

recubrimiento en una región superficial amplia, que se analiza con AFM para

observar a menor escala la estructura de la película. La imagen de AFM, Figura

IV.2.7b, muestra la acumulación de material en los bordes que delimitan los

huecos de una red hexagonal. Tal y como se recoge en la Tabla IV.2.1, el

diámetro de los huecos es de ~ 0.16 m y la altura de los perfiles de AFM de

a

0 1 2 30

2

4

Z /

nm

X / m

800nm

b


los bordes es de ~3 nm, próxima al diámetro de los QDs. Las imágenes

presentadas en las Figuras IV.2.6 y IV.2.7, junto con la Tabla IV.2.1, apuntan a

una evolución de la morfología de las películas de QDs en función de la

concentración superficial de polímero en la mezcla.

Como se comentó anteriormente, la formación de estructuras tipo

mosaico se atribuye a procesos de secado de la película. En el sistema formado

por la mezcla PMAO/QDs, la morfología tipo mosaico apunta al mecanismo de

dewetting referido como nucleación y coalescencia de agujeros.46 En este

mecanismo la contribución de las fuerzas gravitatorias predomina sobre la

energía interfacial y las fuerzas de van der Waals.47-49 Un modelo teórico de

dinámica molecular propone la formación de redes hexagonales en películas de

copolímeros de bloque y nanopartículas cuando la concentración de

nanopartículas es aproximadamente del 3%.50, 51 Los resultados presentados

para las películas mixtas PMAO/QDs están de acuerdo con estas predicciones

teóricas, ya que en nuestro caso las películas formadas por dominios

hexagonales se observan incluso a fracciones molares de nanopartículas de

0.02 (2% de QDs).

Cuando la fracción molar de QDs se incrementa por encima de 0.25, la

polidispersión de los agujeros en la red hexagonal aumenta, como se muestra

en los datos estadísticos de tamaños de la Tabla IV.2.1. Además, el tamaño de

los agujeros disminuye al aumentas la cantidad de PMAO en la mezcla.

Cuando la fracción molar de QDs aumenta por encima de 0.5, XQD ≥ 0.50, la

red hexagonal coexiste con aglomerados de QDs, y estos aglomerados

predominan cuando la fracción molar de QDs se incrementa por encima de 0.9,

XQD ≥ 0.9. Estos hechos indican que a partir de una determinada concentración

de QDs, las interacciones atractivas entre las nanopartículas comienzan a

dirigir la adsorción sobre el sustrato sólido, dando lugar a la aglomeración de

las nanopartículas.


IV.2.1.2 Películas mixtas de QDs y tensioactivo geminal 18-2-18

Una metodología alternativa para modular el auto-ensamblaje de los

QDs, y que podría evitar los patrones con huecos hexagonales, podría consistir

en utilizar moléculas de tensioactivo.1, 25, 52-56 El siguiente intento consiste en

explorar esta alternativa transfiriendo películas de Langmuir mixtas formadas

por el tensioactivo geminal 18-2-18 y QDs desde la interfase aire-agua a

sustratos de mica. Se ha escogido este tensioactivo puesto que tiene cadenas

hidrocarbonadas de la misma longitud (C18) que el polímero PMAO; sin

embargo posee un grupo hidrófilo distinto que puede dirigir el autoensamblaje

de las nanopartículas de una forma diferente. Por otro lado, el tensioactivo 18-

2-18 forma películas de LB homogéneas sobre mica, indicando que existen

fuertes interacciones atractivas con el sustrato sólido.52 Cabe esperar que estas

características mejoren la adhesión de los QDs al sustrato.

Previamente a la deposición de las películas LB, se han obtenido las

isotermas de presión superficial de películas preparadas a partir de mezclas

Geminal/QDs de distinta composición, Figura IV.2.8. A efectos comparativos

se presentan las isotermas en términos de concentración de tensioactivo

expresada como mg m-2, para mantener las mismas unidades en las que se

presentaron las isotermas de polímero (Figura IV.2.2).


0.01 0.1 10

30

60

/ mN

m-1

Geminal

/ mg m-2

4321


Geminal/QDs con una fracción molar de tensioactivo: 0.5 (1); 0.75 (2); 0.98 (3) y tensioactivo

geminal puro (4).

Como se observa en la figura, las monocapas más empaquetadas

corresponden a la isoterma del tensioactivo geminal puro y a la isoterma con

baja concentración de QDs (XGeminal ≥ 0.98), que alcanza una presión

superficial de saturación considerablemente más alta que las obtenidas para

concentraciones inferiores de nanopartículas. La Figura IV.2.9 representa las

isotermas de elasticidad de equilibrio frente a los valores de presión superficial.


0 20 40 60

0

50

100

GeminalX

Geminal =0.98

XGeminal

=0.75

XGeminal

=0.5

/ mN m-1

0 / m

N m

-1

Figura IV.2.9. Elasticidad superficial de equilibrio vs. presión superficial de las monocapas de

Langmuir mixtas Geminal/QDs a la fracción molar de tensioactivo de: 0.5 (cuadrados); 0.75

(círculos cerrados); 0.98 (triángulos) y tensioactivo geminal puro (círculos abiertos).

Como se observa en la Figura IV.2.9, el valor de elasticidad de

equilibrio de la monocapa de tensioactivo aumenta con la concentración

superficial de tensioactivo, y alcanza un valor máximo a la presión superficial

de 30 mN m-1, una vez superado el máximo, la elasticidad disminuye debido a

la disminución de los grados de libertad conformacional de las moléculas de

tensioactivo y a la formación de agregados característicos del colapso.41, 44

Respecto a la adición de QDs, se observa que la elasticidad de las monocapas

mixtas es inferior a la elasticidad de la monocapa de tensioactivo, lo que podría

deberse a la disminución de los grados de libertad de movimiento de las

moléculas de tensioactivo, por la adsorción de QDs en las cadenas del

tensioactivo.

Las películas mixtas Geminal/QDs se transfieren desde la interfase aire-

agua sobre mica con el método LB, a una presión superficial de 30 mN m-1. Se


ha escogido esta presión superficial ya que coincide con el máximo de

elasticidad de la monocapa de tensioactivo geminal, Figura IV.2.9, y con

objeto de comparar con las películas obtenidas en las mezclas PMAO/QDs

trasferidas a esa misma presión superficial. La morfología de estas películas

LB se estudia mediante las técnicas microscópicas SEM y AFM, y se

realizaron también medidas de elipsometría para obtener su espesor. En primer

lugar se presenta en la Figura IV.2.10 la imagen de AFM de la película LB del

tensioactivo geminal a 30 mN m-1, para poder comparar las películas mixtas

Geminal/QDs con la película obtenida en la deposición del tensioactivo

geminal sin nanopartículas. Esta imagen muestra una película continua de

moléculas de tensioactivo de una altura ~2 nm, valor próximo a la longitud de

la cadena hidrocarbonada de 18 átomos de carbono del tensioactivo

completamente extendida (2.4 nm).57

Figura IV.2.10. Imagen y perfil de AFM de la película de LB del tensioactivo geminal

transferido sobre mica a la presión superficial de 30 mN m-1.

En la Figura IV.2.11 se observan las imágenes correspondientes a las

películas mixtas Geminal/QDs obtenidas para diferentes fracciones molares de

tensioactivo. Las imágenes presentadas en la Figura IV.2.11 comparadas con la

figura de QDs depositados directamente sobre mica, Figura IV.2.5.a, muestran

que el tensioactivo 18-2-18 también aumenta el recubrimiento superficial de

QDs. Las imágenes de AFM presentadas en la Figura IV.2.11 muestran que los

QDs se agregan en dominios con diferentes formas y que la densidad de los

0 1 2 3 4

0

2

Z /

nm

X / m


dominios depende de la concentración de tensioactivo, la densidad de

agregados aumenta cuando la concentración de tensioactivo expresada en

términos de fracción molar en la mezcla se incrementa.

Figura IV.2.11. Imágenes obtenidas por AFM de las películas LB mixtas Geminal/QDs a la

facción molar de tensioactivo de: 0.50 (a); 0.75 (b) y 0.98 (c). Las monocapas de Langmuir se

transfieren a la presión superficial de 30 mN m-1.

Si se comparan los dominios formados en las películas mixtas

PMAO/QDs y Geminal/QDs se observa que su morfología es completamente

diferente, apuntando a distintos mecanismos de dewetting en ambos tipos de

películas. Las películas mixtas de PMAO/QDs están constituidas por redes

hexagonales, mientras que las películas de Geminal/QDs presentan conjuntos

de dominios en forma de gota. La morfología de las películas mixtas

Geminal/QDs se ha encontrado descrita en bibliografía para las películas en las

0 100 200 300 4000

2

4

Z /

nm

X / nm

0 1 2 3 40246

Z /

nm

X / m3.0µm

c

590nm

b

0 1 2 3 4 50

2

4

Z /

nm

X / nm

2.1µm

a


que la contribución gravitatoria es despreciable frente a los efectos capilares.

En este mecanismo de secado, conocido como dewetting espinodal, las ondas

capilares rompen la película cuando la amplitud de las ondas excede el espesor

de la película, dando lugar a estas nanoestructuras en forma de agregados de

gotas.58 Las diferencias encontradas en el mecanismo de deweting de las

películas de PMAO/QDs y de Geminal/QDs, pueden relacionarse con los

diferentes pesos moleculares de la matriz. Así, el peso molecular del polímero,

40 kD, es mucho mayor que el de la molécula de tensioactivo (Mr = 783.02),

por lo que cabe esperar que los efectos gravitatorios dominen en las películas

que contienen el polímero, mientras que las ondas capilares ejercen un mayor

efecto cuando la masa de la matriz es más pequeña, como es el caso de las

películas de tensioactivo geminal y QDs dando lugar a un proceso de dewetting

espinodal.

IV.2.1.3 Películas mixtas de tres componentes: PMAO/Geminal/QDs

Está ampliamente reconocido que las mezclas polímero/tensioactivo

presentan importantes efectos sinérgicos en las propiedades superficiales41, 59-63

y en los procesos de auto-ensamblaje.57 Para el caso concreto de las moléculas

de polímero PMAO y de tensioactivo geminal, trabajos previos han recogido

cómo las mezclas de PMAO/tensioactivo (DODAB)41 y mezclas entre

tensioactivo geminal 18-3-18 y ácido esteárico,64 mejoran la adsorción

superficial respecto a los componentes puros, dando lugar a un efecto sinérgico

y a monocapas fuertemente empaquetadas. En consecuencia, lo que se pretende

es evaluar la existencia de un efecto sinérgico de las mezclas entre el polímero

PMAO y el tensioactivo geminal en la adsorción de QDs, de forma que se

obtengan películas de QDs más homogéneas y sin agregados 3D. Con este

objetivo en mente, se estudia el efecto de la composición de la matriz

PMAO/Geminal sobre la morfología de las películas LB de los QDs.


En el caso de las películas de tres componentes, los QDs se dispersan en

una matriz formada por mezclas de PMAO y tensioactivo geminal, cuya

composición se expresa en términos de la fracción molar de polímero YPMAO,

definida como:

)( min alGePMAO

PMAOPMAO nn

nY

[IV.2.2]

En esta ecuación nGeminal y nPMAO representan la cantidad de tensioactivo

geminal y polímero por unidad de monómero, respectivamente. Por otra parte,

la composición superficial de la matriz (XMatriz) referida al total de la mezcla se

define como:

)( min

min

QDiGePMAO

iGePMAOMatrix nnn

nnX

[IV.2.3]

Donde nQD es la cantidad de QDs. Se ha trabajado a una fracción molar

de matriz constante e igual a XMatriz = 0.98, ya que el apartado anterior, donde

se estudió el efecto de la composición de matrices preparadas exclusivamente

por PMAO o por tensioactivo geminal, se demostró que el mayor

recubrimiento se obtiene con esta composición. Una vez fijada la fracción

molar de matriz en la mezcla, XMatriz, en 0.98, se varía la composición de

polímero y tensioactivo dentro de la matriz, representada como YPMAO.

En la Figura IV.2.12 se presentan las isotermas de presión superficial

para varias monocapas mixtas de tres componentes. A efectos comparativos se

presentan en la figura las isotermas formadas por PMAO/QDs y Gemini/QDs

de la misma composición (XMatriz = 0.98). La Figura IV.2.12 muestra que las

isotermas de las monocapas mixtas de tres componentes se encuentran entre las

isotermas preparadas con matrices de un componente, PMAO o tensioactivo,


cuando la composición de la matriz, YPMAO, es menor de 0.33. Para

composiciones superiores, por encima de este valor de YPMAO, las isotermas se

desplazan a concentraciones superficiales mayores que las correspondientes a

las monocapas de dos componentes de PMAO/QDs.

5.0x10-7 1.0x10-6 1.5x10-6

0

20

40

60

9

8

76

/ m

N m

-1

/ mol m-2

5

4321

Figura IV.2.12. Isotermas de presión superficial de las monocapas mixtas de tres componentes

PMAO/Geminal/QDs preparadas manteniendo la fracción molar de matriz XMatriz constante en

0.98, y con la siguiente composición de matriz en fracción molar de polímero YPMAO: 0.1 (2);

0.2 (3); 0.33 (4); 0.5 (5); 0.60 (6); 0.67 (7) y 0.8 (8). Las líneas 1 y 9 representan las isotermas

de las monocapas mixtas Geminal/QDs (1) y PMAO/QDs (9).

En la Figura IV.2.13, se presentan las isotermas de elasticidad,

observándose un efecto sinérgico débil cuando la fracción de polímero en la

matriz es superior a 0.33, y obteniéndose un máximo de elasticidad para las

monocapas mixtas con una fracción molar de polímero próxima a 0.5 (YPMAO

desde 0.5 a 0.67).


0 20 400 20 40

0

60

120

a)

0 / m

N m

-1

/ mN m-1

b)

/ mN m-1

Figura IV.2.13. Elasticidad superficial de equilibrio vs. presión superficial calculado a partir

de las isotermas de la Figura IV.2.12 para diferentes composiciones de matriz (a)YPMAO: 0.1

(); 0.2 (); 0.33 (); (b) 0.5 (); 0.6 (); 0.67 () y 0.8 (). Los valores representados

tanto en (a) como en (b) por () y () corresponden a las monocapas de Geminal/QDs y

PMAO/QDs respectivamente.

A partir de estos resultados es posible concluir que la organización de

las moléculas en la interfase evoluciona con la composición de la matriz dando

lugar al estado más elástico y condensado cuando la composición de la matriz,

YPMAO, está próxima a 0.5, siendo las interacciones atractivas entre las

moléculas de polímero y tensioactivo la causa más plausible del

empaquetamiento más efectivo.

Las monocapas de Langmuir de estas películas se transfieren de la

interfase aire-agua a sustratos sólidos. La evolución de la morfología de los

dominios de las películas LB con la concentración de PMAO dentro de la

matriz mixta se observa en las Figuras IV.2.14 y IV.2.15.


Figura IV.2.14. Imágenes de AFM de las películas de LB mixtas de PMAO/Geminal/QDs a

30 mN m-1 preparadas manteniendo XMatriz constante en 0.98 y con la composición de polímero

en la matriz mixta de YPMAO = 0.1 (a-c).

La imagen de AFM en la Figura IV.2.14a corresponde a la película LB

con YPMAO = 0.1, y muestra la presencia de diferentes tipos de dominios: redes

hexagonales y aglomerados. La magnificación de esos dominios se muestra en

las Figuras IV.2.14b y IV.2.14c. La arquitectura de estos dos tipos de dominios

es similar por un lado a la observada en monocapas de PMAO/QDs (red

hexagonal) y por otro a la observada en los dominios de las películas de

Geminal/QDs (aglomerados). Este hecho apunta a que los dos mecanismos de

dewetting detectados en las películas mixtas PMAO/QDs y Geminal/QDs se

observan en las películas que contienen matrices mixtas con esta composición.

Cuando la composición del polímero en la matriz se incrementa, el proceso de

dewetting gravitatorio, característico de la matriz de polímero, se hace más

importante y prevalece sobre el mecanismo de dewetting espinodal

característico en el secado de matrices de tensioactivo. Este comportamiento

predominantemente gravitatorio se observa cuando la concentración de

0 1 2 3 4 5 60

2

4

Z

/ nm

X / m

0 1 2 3 4 50

2

4

Z /

nm

X / m

3.0µm

c

2.2µm

b

5.3µm

a


polímero alcanza el valor de YPMAO = 0.5, como se observa en las Figuras

IV.2.15a y IV.2.15b. El comportamiento se mantiene cuando la fracción molar

de polímero en la matriz aumenta por encina de 0.5, como se muestra en las

Figuras IV.2.15c y IV.2.15d para las fracciones molares de PMAO en la matriz

de YPMAO = 0.67 y YPMAO = 0.8.

Figura IV.2.15. Imágenes de AFM de las películas de LB mixtas de PMAO/Geminal/QDs a

30 mN m-1 preparadas manteniendo XMatriz constante en 0.98 y con la siguiente composición de

polímero dentro de la matriz mixta: (a-b) YPMAO = 0.5; (c) YPMAO = 0.67 y (d) YPMAO = 0.8.

Para obtener información acerca del efecto de la composición de la

matriz en la estructura de las redes hexagonales, se ha realizado un análisis

estadístico de las dimensiones de los agujeros y los bordes de los mismos,

midiendo un promedio de 25 dominios por muestra, como se muestra en la

Tabla IV.2.2. La comparación entre el tamaño de los huecos de las películas

0 1 20

2

4

Z /

nm

X / m

6.4µm

a

0.0 0.5 1.00

2

Z /

nm

X / m

1.8µm

b

0.0 0.5 1.0024

Z /

nm

X / m

4.0µm

2.0µm

d

3.3µm

2.0µm

c


preparadas con matrices mixtas PMAO/Geminal y con la matriz de PMAO

(Tabla IV.2.1), muestra que el polímero proporciona los agujeros más

pequeños. Además, el tamaño de los bordes de los dominios en las películas

PMAO/QDs es también más pequeño (~0.10 μm). Por otro lado, los agujeros

correspondientes a las redes hexagonales de las películas LB preparadas con

matrices mixtas de fracción molar YPMAO próxima a 0.5 presentan el menor

grado de polidispersión.

Tabla IV.2.2. Tamaño promedio de los agujeros y bordes de los dominios hexagonales

observados en las películas LB mixtas de PMAO/Geminal/QDs.

a Los valores reportados son valores promedio y el error representa la desviación estándar determinada por al menos 25 medidas.

El espesor de los bordes de los dominios se ha determinado a partir de

los perfiles de altura de las imágenes de AFM. Los resultados presentados en la

Tabla IV.2.2 muestran que la altura de estos perfiles es independiente de la

composición de la película y el valor promedio, 3-4 nm, concuerda con el

diámetro de los QDs en cloroformo (3.4 ± 0.1) nm. El valor de espesor

obtenido por elipsometría (4.8 ± 0.3) nm, es también concordante con este

valor. La diferencia puede deberse a que la elipsometría analiza un área mucho

mayor que la microscopía de AFM, por lo que como ya se explicó

anteriormente el valor de espesor obtenido por elipsometría es el promedio de

Tamaño de hueco a

Matriz XMatriz X-dirección /

μm Y-dirección /

μm Tamaño de borde/μm

PMAO/Geminal YPMAO= 0.1

0.98 1.1 ± 0.7 1.0 ± 0.6 0.17 ± 0.06

PMAO/Geminal YPMAO= 0.5

0.98 0.6 ± 0.3 0.4 ± 0.1 0.33 ± 0.08

PMAO/Geminal YPMAO =0.67

0.98 0.5 ± 0.3 0.5 ± 0.3 0.15 ± 0.05

PMAO/Geminal YPMAO =0.8

0.98 0.8 ± 0.5 0.6 ± 0.3 0.17 ± 0.05


los espesores de diferentes agregados, ya que la región seleccionada es más

amplia.

Los resultados obtenidos en este estudio muestran dos tipos de

estructuras diferentes en las película LB, en función de la composición de la

matriz. Así, cuando la matriz está formada exclusivamente por el polímero

PMAO, se observa una red continua de dominios hexagonales con QDs

adsorbidos en los bordes de estos dominios. Por el contrario, cuando la

monocapa se construye con una mezcla de tensioactivo y QDs se producen

dominios en forma de gotas. Las diferencias se atribuyen a distintos procesos

de dewetting: nucleación y crecimiento de agujeros y mecanismo espinodal,

para películas de PMAO/QDs y Geminal/QDs respectivamente.

Los resultados permiten concluir que en las películas compuestas de

matrices mixtas de PMAO/Geminal el mecanismo de deweting característico

de las películas de polímero, conocido como gravitatorio, prevalece sobre el

mecanismo de deweting del tensioactivo, mecanismo espinodal, incluso en

películas con pequeñas cantidades de polímero PMAO en la matriz. Esto se

debe probablemente al mayor peso molecular del polímero en comparación con

el del tensioactivo geminal. De este modo, teniendo en cuenta que el peso

molecular del polímero es 50 veces mayor que en el tensioactivo, y que el

mecanismo de deweting del polímero está dirigido por el efecto gravitatorio,

mientras que las ondas capilares dirigen el mecanismo espinodal observado en

las películas Geminal/QDs, es razonable pensar que el efecto gravitatorio

prevalezca sobre las ondas capilares incluso en películas con pequeñas

cantidades de polímero.


IV.2.2. Películas Langmuir-Blodget de QDs transferidas sobre películas LB

de PMAO y tensioactivo geminal

La metodología empleada en este apartado del trabajo consiste en

transferir nanopartículas de QDs desde la interfase aire-agua sobre un sustrato,

mica, previamente recubierto con una película LB de polímero PMAO o de

tensioactivo geminal 18-2-18. Tal y como se ha comentado anteriormente, las

mezclas polímero/tensioactivo proporcionan un efecto sinérgico en la

adsorción superficial,41, 62, 65, 66 por lo que se estudia también la habilidad de las

películas LB mixtas formadas por mezclas PMAO/tensioactivo geminal para

mejorar la adsorción de QDs sobre el sólido. La morfología de las películas LB

se analiza mediante diferentes técnicas de microscopía: AFM, SEM y TEM.

Las monocapas de Langmuir se trasfieren por compresión simétrica de

las barreras de la balanza de Langmuir a velocidad constante de 5 mm min-1

por el método de deposición vertical, transfiriendo con una velocidad de subida

del brazo mecánico de 5 mm min-1. La metodología empleada para la

preparación de estas películas en forma de bicapa es la siguiente: en primer

lugar la película LB del polímero, del tensioactivo, o de una mezcla de ambos

se deposita sobre el sustrato. Posteriormente, la película se seca a vacío y a

continuación se transfiere una película de QDs sobre la película LB de

polímero o tensioactivo, utilizando la metodología de LB. Para diferenciar

entre los componentes y el orden de deposición de las distintas películas LB, se

utiliza la notación // para separar los componentes de las dos capas en contacto,

y el orden de los componentes va desde el sustrato sólido al aire.

Para evaluar el efecto que pueda tener el recubrimiento del sólido con el

polímero PMAO en la morfología de las películas de QDs. Para preparar las

películas de QDs utilizando esta metodología, el primer paso es obtener

películas LB densas de polímero sin agregados. Para ello, se transfieren las


monocapas de Langmuir en el máximo valor de elasticidad, ya que más alla de

este valor la monocapa colapsa, dando lugar a agregados 3D de polímero en la

interfase. Estos agregados 3D son metaestables y dan lugar a resultados no

reproducibles. En el capítulo IV.1 se han estudiado las propiedades

superficiales de estas moléculas. Los resultados presentados en las Figuras

IV.1.21 y IV.2.2 muestran que el colapso de la monocapa del polímero PMAO

se alcanza a la presión superficial de 40 mN m-1, mientras que el máximo valor

de elasticidad de 167 mN m-1 se observa a la presión superficial de 30 mN m-1,

Figura IV.1.23. De acuerdo con el criterio comentado anteriormente, se

transfieren las monocapas de Langmuir de PMAO a 30 mN m-1, cuya imagen

obtenida mediante AFM se presenta en la Figura IV.2.5b. La película presenta

algunos pequeños agujeros producidos por procesos de dewetting. El paso

siguiente consiste en depositar QDs sobre la película LB del polímero. La

monocapa de QDs transferida es la correspondiente a la presión superficial de 9

mN m-1, ya que la isoterma de elasticidad obtenida para los QDs presenta un

máximo antes del colapso a esta presión superficial.

Para evaluar la morfología de las películas a diferentes escalas se utiliza

AFM, TEM y SEM. Imágenes representativas de las películas se recogen en la

Figura IV.2.16.


Figura IV.2.16. Imágenes obtenidas mediante AFM (a) y TEM (b) de las películas LB en

forma de bicapa PMAO//QDs. El inserto en (a) muestra una magnificación de la imagen

topográfica de AFM. La monocapa de Langmuir del PMAO se transfiere a la presión

superficial de 30 mN m-1, y la película de QDs a 9 mN m-1.

A partir de estas imágenes se observa la morfología de las películas de

QDs sobre el sustrato recubierto con PMAO. La Figura IV.2.16a muestra la

imagen de AFM de los QDs depositados sobre la película LB de PMAO que

presenta un alto recubrimiento de QDs, observado detalladamente en la

ampliación de la imagen topográfica. La imagen obtenida mediante TEM de la

película PMAO//QD, Figura IV.2.16b, presenta una magnificación de esta

película que muestra nanopartículas aisladas depositadas a lo largo de la

película. Tanto en la imagen de AFM como en la de TEM se observan algunas

regiones sin recubrimiento de QDs. Estas regiones pueden corresponderse con

zonas del sustrato menos cubiertas y previamente observadas en las películas

LB de PMAO utilizadas para recubrir el sustrato, Figura IV.2.5b; lo que parece

indicar que los QDs se adsorben preferiblemente sobre las zonas cubiertas con

polímero PMAO.

0 1 20246

Z /

nm

X / m

50 nm

b a


Los perfiles de altura adquiridos a partir de las imágenes de AFM,

Figura IV.2.16a, proporcionan un valor promedio de (3 ± 1) nm, compatible

con el diámetro de las nanopartículas de CdSe en disolución. Estos resultados

demuestran que la deposición de QDs sobre las películas LB de PMAO evita la

agregación en 3D de las nanopartículas comentada anteriormente y presentada

en la Figura IV.2.5a. El hecho de que el PMAO evite la aglomeración de los

QDs puede interpretarse considerando que las interacciones atractivas entre las

cadenas hidrófobas del polímero y el ligando estabilizador de los QDs

favorecen la adsorción de QDs sobre el polímero. En el caso de los QDs

adsorbidos directamente sobre mica, ya que las interacciones atractivas entre el

sólido hidrófilo y los QDs son débiles, las interacciones QD-QD predominan y

los QDs agregan formando dominios tridimensionales.

Se ha explorado también la habilidad de las películas LB del

tensioactivo geminal 18-2-18 para adsorber QDs. Las moléculas de

tensioactivo presentan una ventaja frente a las del polímero PMAO, que

consiste en que dan lugar a películas LB prácticamente continuas en las que las

moléculas de tensioactivo están muy empaquetadas, Figura IV.2.17, lo que

podría mejorar la adsorción de nanopartículas, proporcionando películas de

QDs más continuas y homogéneas que las que se consiguen con el polímero

PMAO.


Figura IV.2.17. Imágenes de AFM 2D (a) y 3D (b) de las películas de LB del tensioactivo

geminal 18-2-18 preparadas a la presión superficial de 30 mN m-1 sobre mica.

La película LB de tensioactivo se ha construido transfiriendo

monocapas de Langmuir densas antes del colapso de la monocapa, a la presión

superficial de 30 mN m-1. La altura del perfil de AFM de la película LB de

tensioactivo, Figuras IV.2.17a y IV.2.17b, es de 2.2 nm. Este valor está de

acuerdo con la longitud de la cadena hidrocarbonada de 18 átomos de carbono

totalmente extendida (2.4 nm).57 Esto indica que las cadenas hidrocarbonadas

están prácticamente perpendiculares a la interfase aire-sólido, y exponen su

parte hidrófoba hacia los ligandos de la capa de QDs. Al igual que en las

películas preparadas sobre el polímero PMAO, la monocapa de Langmuir de

QDs se transfiere a la presión superficial de 9 mN m-1. Las Figuras IV.2.18a y

IV.2.18b corresponden a las imágenes obtenidas mediante SEM y TEM de las

películas de QDs depositadas sobre la película LB del tensioactivo. La imagen

de SEM, Figura IV.2.18a, muestra dominios extensos de QDs, mientras que la

imagen de TEM nos permite analizar la estructura dentro de los dominios,

Figura IV.2.18b. En las medidas de AFM, la altura de los perfiles obtenidos

para los dominios de QDs es de 3-4 nm, compatible con el diámetro de las

nanopartículas, indicando que la película LB de tensioactivo también evita la

agregación en 3D de las nanopartículas.

a

0 1 20

2

Z /

nm

X / m

4 μm

Z b


Figura IV.2.18. Imágenes de SEM (a) y TEM (b) de las películas de LB del sistema de bicapa

Geminal//QDs. La película LB de tensioactivo se transfiere a la presión superficial de 30 mN

m-1, y la de QDs a 9 mN m-1.

A partir de la imagen de TEM, Figura IV.2.18b, se puede observar que

los dominios de QDs están constituidos por nanopartículas altamente

empaquetadas. Para evaluar la distancia entre los QDs dentro de los dominios,

se calcula la función de distribución radial (RDF), g(r), Figura IV.2.19,

utilizando el software ImageJ 1.46.67 La función de distribución radial se

determina a partir de la distribución de la distancia entre centros de partículas

(r) en varias imágenes de TEM donde los QDs están muy empaquetados. Esta

función proporciona información sobre el orden de corto alcance dentro de los

dominios. La RDF en la Figura IV.2.19 representa la función normalizada

respecto al valor máximo, que da una distribución centrada en r = 5.1 ± 0.1 nm.

A partir de este valor, se obtiene la distancia interpartícula (d), obteniendo un

valor de 1.7 nm. Esta distancia es ligeramente mayor que el doble de la

longitud de la molécula de TOPO (0.7 nm),68 que actúa como ligando

estabilizador, y está de acuerdo con una disposición compacta de las

nanopartículas.

20 m

a b


Figura IV.2.19. Funciones de distribución radial (RDF) obtenidas a partir de las imágenes de

TEM de las películas LB de QDs sobre películas LB de tensioactivo geminal y mezcla

PMAO/Geminal. Las monocapas de tensioactivo y PMAO/Geminal (XGeminal= 0.33) se

transfieren sobre el sustrato a la presión superficial de 30 mN m-1, y las de QDs están

trasferidas a 9 mN m-1.

En resumen, los resultados demuestran que los dominios de QDs más

empaquetados se obtienen a partir de películas construidas transfiriendo

monocapas de Langmuir de QDs desde la interfase aire-agua sobre las

películas LB del tensioactivo geminal. Se pone de manifiesto la influencia de

las interacciones atractivas entre el ligando de los QDs (TOPO) y las moléculas

utilizadas para recubrir el sólido, así como la importancia de la morfología de

las películas que recubren el sustrato. Sin embargo, puesto que el polímero

PMAO y el tensioactivo geminal tienen cadenas hidrocarbonadas de 18 átomos

de carbono, cabría esperar un comportamiento similar, mientras que los

resultados muestran dominios de QDs con diferente morfología.

En un intento de explicar estas diferencias, se analiza el parámetro de

mojado de los QDs sobre las diferentes moléculas empleadas como

recubrimiento del sustrato. El parámetro de mojado se ha utilizado previamente

en películas LB para evaluar su estabilidad,69 y para interpretar las

0 20 40 600.0

0.5

1.0

Geminal//QDs

PMAO/Geminal//QDs

g norm

aliz

ado (

r)

r / nm


nanoestructuras que forman las nanopartículas depositadas en diferentes

sustratos.70 Se analiza por tanto el parámetro de mojado indicativo del balance

de las fuerzas intermoleculares entre los QDs y la capa que recubre el sustrato

(fuerzas adhesivas) y las fuerzas QD-QD (fuerzas cohesivas).

El parámetro de mojado, S, se calcula a partir de la expresión:46, 69

)( /1//1 aireQDscapaQDsairecapaS [IV.2.4]

En esta ecuación γcapa1/aire, γQDs/capa1 y γQDs/aire, representan las tensiones

superficiales en las interfases capa1-aire, QDs-capa1 y QDs-aire,

respectivamente. La notación capa1 se refiere a la capa que recubre el sustrato,

formada por moléculas de polímero o de tensioactivo. El valor de la tensión

superficial QDs/aire, γQDs/aire, utilizado en estos cálculos se toma de bibliografía

como 33 mN m-1.71 El valor de γpolímero/aire se ha aproximado a las tensiones

superficiales de los grupos hidrófobos expuestos hacia el aire,72 es decir

polietileno lineal (PE) en el caso del polímero PMAO.73 Puesto que la interfase

entre el PMAO y los QDs está constituida por cadenas hidrocarbonadas, la

tension interfacial γQDs/polímero se considera cero.

La tension interfacial Geminal/aire, γGeminal/aire, se calcula combinando

la ecuación de Young y la Ecuación de Estado, dando lugar a la siguiente

ecuación para el coseno del ángulo de contacto, :74

])(0001247.0exp[21cos 2/min///min airealGeaireaguaaireaguaairealGe

[IV.2.5]


Para calcular el valor de γGeminal/aire se toma el ángulo de contacto de 80º

de la bibliografía30, y se considera γQDs/Geminal como cero ya que el ángulo de

contacto entre la película de tensioactivo geminal y el ligando de los QDs

(TOPO) se produce a través de cadenas hidrocarbonadas. En la Tabla IV.2.3 se

recogen las tensiones superficiales y los coeficientes de mojado calculados para

los distintos sistemas.

Tabla IV.2.3. Valores del coeficiente de mojado y tensión interfacial para los sistemas

estudiados

Sistema Tensión Interfacial (mN m-1)c Coeficiente de mojado

S (mN m-1) γcapa 1/aire γQDs/ capa 1 PMAO//QDs 33.7a 0.0 0.7 Geminal//QD 36.0 0.0 3.0

aRef. 73; c Capa 1 representa la película utilizada para recubrir el sustrato.

El parámetro de mojado, S, correspondiente al sistema Geminal//QDs

es el más positivo, lo que indica que los QDs mojan eficazmente la película de

tensioactivo, favoreciendo la adsorción de las nanopartículas en la película.

Como consecuencia, la película de tensioactivo induce un alto recubrimiento

de QDs. Puesto que el tensioactivo forma una película continua y homogénea,

los QDs se distribuyen de forma homogénea a lo largo de ella, como se observa

en la imagen de TEM, Figura IV.2.18b.

El valor del parámetro de mojado, S, en las películas PMAO//QDs es

positivo, indicando que el mojado de los QDs es bueno, pero menor que el

calculado para el tensioactivo, como se muestra en la Tabla IV.2.3. Además, la

película de PMAO utilizada para recubrir el sustrato presenta pequeños

agujeros, Figura IV.2.5b. Estos dos factores dan lugar a una adsorción menos

eficiente de los QDs sobre la película de polímero, comparada con la adsorción

sobre la película de tensioactivo geminal.


En un intento de mejorar la capacidad de adsorción de las películas de

PMAO, se han ensayado mezclas entre PMAO y tensioactivo geminal, como

películas LB para recubrir el sustrato. Está establecido que las monocapas

mixtas polímero/tensioactivo presentan efectos sinérgicos en la concentración

superficial,75 por lo que se espera que las películas mixtas PMAO/Geminal

mejoren la adsorción de los QDs. Puesto que los efectos sinérgicos están

generalmente relacionados con las interacciones atractivas entre los

componentes en la interfase, antes de la deposición de las películas LB se tiene

en cuenta el estudio termodinámico realizado en las mezclas mediante las

isotermas de presión superficial, de las que se obtuvo el area de exceso

superficial y la elasticidad de equilibrio de las monocapas mixtas con diferente

composición, Figuras IV.1.21 - IV.1.23. Puesto que en el apartado anterior se

vio que la desviación del área de exceso más negativa aparece en mezclas

PMAO/Geminal con fracción molar de tensioactivo geminal, XGeminal = 0.33, y

que esta composición da lugar a monocapas altamente empaquetadas y

elásticas, Figura IV.1.24, se transfieren monocapas de Langmuir mixtas

PMAO/Geminal de esta composición. Se ha seleccionado la presión superficial

de 30 mN m-1 ya que corresponde a un estado denso en el cual la monocapa no

ha alcanzado el colapso. Para poder comparar con las películas de PMAO y de

tensioactivo geminal, la monocapa de QDs se transfiere a la misma presión

superficial de 9 mN m-1.

Las imágenes de AFM y TEM de las películas LB

PMAO/Geminal//QDs, Figuras IV.2.20a y IV.2.20b, muestran dominios

extensos de QDs con una morfología similar a la encontrada cuando se utiliza

el tensioactivo para recubrir el sustrato. Este comportamiento indica que la

adición de pequeñas cantidades de tensioactivo geminal a la monocapa de

PMAO, da lugar a una película de QDs de estructura similar a la observada

sobre la película de tensioactivo geminal.


Figura IV.2.20. Imágenes de AFM (a) y TEM (b) de las películas LB en forma de bicapa

PMAO/Geminal//QDs sobre mica. La monocapa mixta PMAO/Geminal y la monocapa de

QDs se transfieren a las presiones superficiales de 30 mN m-1 y 9 mN m-1, respectivamente. La

mezcla PMAO/Geminal se ha preparado a la fracción molar de tensioactivo de 0.33.

Para analizar posibles diferencias entre la morfología de las películas de

QDs depositadas sobre el tensioactivo y sobre las películas mixtas

PMAO/tensioactivo, se calcula y compara la función de distribución radial

obtenida a partir de las imágenes de TEM de ambas películas. Para observar

mejor las diferencias, en la Figura IV.2.19 se representan las dos funciones de

distribución radial. La imagen de TEM, Figura IV.2.20b, corresponde a un área

representativa seleccionada para el análisis de RDF. Los resultados muestran

que el primer pico de RDF para los QDs depositados sobre las películas

PMAO/Geminal//QDs está centrado en 5.5 ± 0.1 nm, mientras que el

correspondiente al sistema Geminal//QDs está centrado en 5.1 ± 0.1 nm.

Para obtener más información de la disposición de los QDs en las dos

películas LB, se ha evaluado el número de partículas en las sucesivas capas

(Ni; i=1, 2,…) a partir de la integración de los picos individuales del RDF.

0 1 2024

Z /

nm

X / m

a b


Cuando los QDs se depositan sobre la película LB de tensioactivo geminal, las

primeras dos capas contienen aproximadamente N1= 5 y N2=10 partículas, lo

que es compatible con una distribución próxima a una organización hexagonal

compacta ideal (N1= 6, N2= 12). Por otro lado, para las películas de QDs

adsorbidas sobre la película LB de PMAO/Geminal, el número de partículas en

la primera y segunda capa es de 5 y 7, respectivamente. Este hecho indica que

la disposición hexagonal compacta de los QDs adsorbidos sobre la película LB

de tensioactivo geminal está ligeramente distorsionada por la adición de

PMAO en la película del tensioactivo.

Los resultados obtenidos en esta parte de la investigación indican que

las diferentes morfologías de las películas de QDs dependen de la capacidad de

mojado entre las dos capas contiguas, y de la morfología de las películas

usadas para recubrir el sustrato. Así, los las películas de QDs presentan un

mayor mojado sobre las películas de tensioactivo geminal, y además éstas están

constituidas por moléculas de tensioactivo fuertemente empaquetadas en una

estructura homogénea, por lo que dan lugar a películas de QDs continuas,

ordenadas y muy empaquetadas.

IV.2.2.1 Propiedades fotoluminiscentes de películas Langmuir-Blodgett de

QDs

En este apartado se estudian las propiedades de fotoluminiscencia de las

películas de QDs preparadas mediante la metodología de bicapa comentada

anteriormente, ya que el recubrimiento del sustrato con moléculas orgánicas ha

demostrado facilitar la incorporación de los QDs al sólido de una forma más

organizada y homogénea. El estudio de las propiedades ópticas de los QDs es

necesario para sus aplicaciones en la fabricación de dispositivos

optoelectrónicos, tales como LEDs, fotodetectores, celdas solares y

nanosensores,7, 39, 40 donde son necesarias estructuras ordenadas con


propiedades fotofísicas conocidas y controlables.76 En este sentido, es

necesario estudiar la influencia de la densidad de QDs, del entorno en el que se

encuentran las partículas y de la distancia entre partículas en las propiedades

fotofísicas de las películas de QDs. Dentro de las técnicas espectroscópicas, la

microscopía de tiempos de vida fluorescencia (FLIM) tiene la ventaja de ser

una técnica altamente sensible a cambios en la superficie y en el entorno de las

nanopartículas; sin embargo, esta información está a menudo oculta por la

compleja dinámica intrínseca de los QDs.77 Por tanto, se ha escogido esta

técnica para estudiar los aspectos cinéticos de la emisión de fotoluminiscencia

(PL) de películas de QDs adsorbidas sobre diferentes moléculas que recubren

el sustrato, analizando las curvas de decaimiento y las imágenes de

fluorescencia obtenidas para las películas. Esta técnica no está disponible en la

Universidad de Salamanca, por lo que este trabajo se ha realizado durante una

estancia breve en el Grupo de Fotoquímica Molecular, Instituto Superior

Técnico (IST), de Lisboa. Los resultados muestran la influencia del

recubrimiento del sustrato con moléculas orgánicas en la dinámica de

fotoluminiscencia de los QDs.

Los trabajos descritos en bibliografía indican que en capas de QDs

monodispersas existe una transferencia de energía (ET) no sólo entre QDs

vecinos, sino también entre QDs que se encuentran a mayor distancia.78-80 Esta

transferencia de energía se debe al solapamiento del primer pico de absorción

con la banda de emisión de fotoluminiscencia de los QDs, y es más rápida en

QDs sin capa protectora y con ligandos estabilizantes de tamaño pequeño, ya

que la trasferencia de energía depende de la distancia en una relación de r-6.

Estudios teóricos y experimentales han mostrado que la transferencia de

energía entre nanocristales de QDs puede describirse apropiadamente por la

teoría de transferencia de energía de resonancia, FRET, en dos dimensiones

propuesta para membranas biológicas.79


La velocidad de decaimiento de fotoluminiscencia de agregados de QDs

es un proceso relativamente lento (de decenas de nanosegundos a temperatura

ambiente, a microsegundos a baja temperatura) y un comportamiento complejo

que da lugar a decaimientos de fluorescencia multiexponenciales que se ha

atribuido a la interacción de QDs entre que da lugar a la formación de clúster o

dominios de nanopartículas. Se han propuesto varias teorías para interpretar

este comportamiento multiexponencial:81 (i) que cada nanopartícula dentro del

clúster posea un decaimiento de fluorescencia mono-exponencial con un

tiempo característico para cada QDs; (ii) que el decaimiento de PL de cada

QDs individual sea proceso complejo y por lo tanto multiexponencial y

finalmente (iii) que el decaimiento de PL de cada nanopartícula se interprete de

forma monoexponencial, pero debido a fluctuaciones temporales decaimiento

de PL promedio sea multiexponencial.81 Otras explicaciones apelan al papel

que juegan los defectos superficiales de los nanocristales como sitios de

captura de carga, que dan lugar a estados atrapados de carga. Normalmente

estos estados cargados son no emisivos o emiten en el infrarrojo, lo cual

complica aún más la dinámica de emisión. Las fluctuaciones de carga en el

medio también pueden afectar la emisión de fluorescencia de los QDs82 de

forma que se han observado procesos de emisión intermitentes en QDs aislados

en los que el decaimiento puede interpretarse mediante una función

biexponencial.

Condiciones Experimentales

A continuación se presentan algunos experimentos previos que se han

empleado para elegir las condiciones experimentales de trabajo. En primer

lugar indicar que las muestras se preparan utilizando la técnica LB con la

misma metodología presentada en las secciones anteriores. La única diferencia

es el sólido utilizado para estas medidas que fue en todos los casos cuarzo. Se

comprobó que la morfología de las películas de QDs depositadas sobre una


películas LB del tensioactivo geminal era similar a las observadas sobre mica

mediante AFM. Antes de llevar a cabo las medidas de PL de las películas de

QDs se comprueba la contribución de las películas de las moléculas orgánicas

depositadas sobre el sustrato de cuarzo a través de medidas de emisión de PL.

Los resultados indicaron que la señal de ruido de fondo a la longitud de onda

de excitación seleccionada de 482 nm es la misma en el cuarzo recubierto con

estas moléculas y por tanto estas no interfieren en la emisión. Por último, se

obtuvieron imágenes de las películas mediante Microscopia Electrónica de

Transmisión (TEM), transfiriendo los QDs sobre las rejillas de cobre

previamente recubiertas con las moléculas anfifílicas.

Las propiedades de fotoluminiscencia de los QDs tienen una gran

dependencia de los defectos superficiales debido a la enorme relación de área

superficial-volumen. Nos interesa estudiar las diferencias debidas a los efectos

superficiales producidos por la diferente morfología de los dominios de QDs

por lo que se deben evitar interferencias debidas a otras causas entre ellas una

de las más importantes es el proceso de síntesis. Por todo ello, se ha establecido

un protocolo de preparación de disoluciones y de las películas de QDs. Con

este objetivo se ha utilizado una única síntesis de QDs para todos los

experimentos de forma que los QDs extraídos para preparar a continuación las

disoluciones de spreading se obtuvieron en el mismo proceso de purificación.

Además, todas las disoluciones de QDs en cloroformo utilizadas para preparar

la monocapa de Langmuir tenían la misma concentración (1x10-6 M) y se

prepararon inmediatamente antes de la deposición. Las películas LB se secaron

durante 12 h, y se almacenaron bajo vacío. Para asegurarse de que no hay

efectos de envejecimiento en las muestras, el tiempo transcurrido entre la

preparación de las muestras y las medidas de FLIM fue el mismo en todos los

casos e inferior a un mes. Durante ese tiempo no se observaron cambios en las

propiedades de emisión de las películas.


Para los estudios de fotoluminiscencia se ha utilizados un microscopio

confocal de fluorescencia resuelta en el tiempo, MicroTime200, PicoQuant

GmbH (Berlin, Alemania). Las medidas de fotoluminiscencia en puntos y áreas

(80x80m2, 400x400 pixels, tiempo de integración de 2 ms por pixel) se

llevaron a cabo utilizando la longitud de onda de excitación de 482 nm (2.5

MHz de tasa de repetición, resolución de 152 ps/canal, objetivo de inmersión

en agua x60 N.A 1.2) con un filtro de paso de banda de 545 ± 17.5 nm para

seleccionar la emisión de la recombinación excitónica del núcleo. Se utilizó un

pinhole de 100m. Para proteger las películas LB del agua se utiliza un cubre

objetos de vidrio entre la gota de agua que se añade al objetivo y la muestra.

Se han llevado a cabo una serie de experimentos preliminares para

seleccionar las condiciones óptimas de trabajo. La longitud de onda de

excitación se selecciona teniendo en cuenta el estudio de fluorescencia en

estado estacionario de QDs disueltos en cloroformo. Para los estudios en estado

estacionario se ha utilizado un Horiba Jobin Yvon IBH FluoroLog-3, y un

espectrofotómetro Perkin-Elmer Lambda 35. Los espectros de absorción y

emisión son el promedio de, al menos, diez medidas.

Los espectros de absorción y emisión de fluorescencia de QDs disueltos

en cloroformo se presentan en la Figura IV.2.21. Teniendo en cuenta los

espectros en disolución, se ha escogido la longitud de onda de excitación de

482 nm, señalada en la figura, puesto dentro de los láseres disponible en el

equipo de FLIM (350, 482 y 640 nm), esta longitud de onda nos permite

excitar a una longitud de onda próxima a la banda del primer pico de absorción

de los QDs, evitando posibles complicaciones derivadas de excitar a longitudes

de onda de la región del azul o rojo del espectro de absorción.


400 500 600 7000

1

2

excitación

= 482 nm

Abs

orba

ncia

/ In

tens

idad

de

PL (

u.a.

)

/ nm

Figura IV.2.21. Espectros de absorción y emisión de fluorescencia de QDs disueltos en

cloroformo. La longitud de onda de excitación es 482 nm, con apertura de rendijas de emisión

y excitación de 2 nm.

Las curvas de decaimiento de fotoluminiscencia de disoluciones QDs

disueltos en cloroformo utilizando una baja tasa de excitación (250 KHz) y una

amplia ventana de tiempo (3.2 s/canal) que permitiera obtener el decaimiento

completo del estado excitado de los QDs entre los pulsos de excitación.83 A

modo de ejemplo en la Figura IV.2.22 se presenta una curva experimental junto

a la calculada mediante un ajuste multiexponencial. El tiempo correspondiente

a cada proceso se presenta en la Tabla IV.2.4. Los valores están de acuerdo con

los valores descritos en bibliografía para las componentes del decaimiento de

fluorescencia de QDs en disolución.84


100 1000100

101

102

103

104

0 100 200 300 400

101

102

103

104

Cue

ntas

t / ns

t / ns

Cue

ntas

Figura IV.2.22. Curva de decaimiento de fotoluminiscencia de QDs disueltos en cloroformo.

La excitación se realiza a 480 nm y la emisión se recoge con un monocromador a 580 nm. La

línea magenta en el inserto muestra un ajuste representativo del análisis multiexponencial del

decaimiento.

Tabla IV.2.4. Resultados del análisis multiexponencial del decaimiento de una disolución de

QDs (10-6 M). El valor de chi-cuadrado, χ2, obtenido par el ajuste es próximo a 1.

Los trabajos previos81, 85 realizados con disoluciones de QDs

identificaron las componentes rápidas con la emisión de la relajación radiativa

de los electrones al estado fundamental, , y puede atribuirse a la

Disolución QDs en

Cloroformo

τ1 / ns 1.8 ± 0.2 f1 (%) 10.5 ± 1

τ2 / ns 13 ± 0.5 f2 (%) 41 ± 3

τ3/ ns 41 ± 2 f3 (%) 41 ± 3 τ4/ ns 159 ± 8 f4 (%) 7. ± 0.3 τmedio 33 ± 1


recombinación del núcleo al estado inicial. Sin embargo, los electrones de la

banda de conducción pueden estar localizados en estados superficiales trampa

y pueden repoblar la banda de conducción o entrar en estados trampa más

profundos, dando lugar a vías de relajación no-radiativa. Las componentes de

tiempos de vida más grandes se atribuyeron a la recombinación radiativa de

portadores de carga.86 Además, se espera una distribución en los tiempos de

decaimiento como resultado de la variación de la tasa de decaimiento no

radiativo en los QDs debido a la variación del tipo y número de centros que

provocan la disminución de la emisión, quenching. Una combinación de todos

estos procesos, junto con las diferencias en tamaño y forma entre los

nanocristales individuales de una población, da lugar a una curva de

decaimiento de emisión multiexponencial.

Si se comparan las curvas de decaimiento y sus componentes para los

QDs en disolución y en películas LB, se pueden observar claras diferencias,

Figura IV.2.23. La parte inicial de la curva disminuye más lentamente en

disoluciones que en las películas de QDs. Una explicación cualitativa de este

hecho es que en las películas las nanopartículas se encuentran en posiciones

fijas y mucho más próximas entre que en disolución, por lo que la interacción

entre QDs adyacentes es más probable y da como resultado un rápido

decaimiento inicial y una cola de decaimiento más larga.78


0 100 200 300

0.01

0.1

1

Cue

ntas

Nor

mal

izad

as

t / ns

Figura IV.2.23. Curvas de decaimiento de PL normalizado para los QDs disueltos en

cloroformo a la concentración de 1x10-6 M (línea negra), y una película LB de QDs depositada

a = 26 mN m-1 sobre el sustrato de cuarzo (línea roja).

La parte de la curva de decaimiento más rápida, en el caso de QDs en

disolución se atribuye a defectos superficiales producidos por la separación de

moléculas de ligando del núcleo del cristal cuando la disolución es muy

diluida.87 Además, es necesario tener en cuenta que la permitividad relativa del

medio también influye de forma considerable en el tiempo de vida de

recombinación radiativa88, , que depende de la permitividad relativa del

medio, ,y de la permitividad eléctrica relativa de QDs de CdSe, , a través

del factor 3 /( 2 )]-2. De este modo, el factor cambia desde ~2.6 para el

cloroformo ( ~2.1; ~6) a ~7 para la película cuyo medio es el aire

( ~1; ~6), lo que se refleja en un incremento de desde 10 ns, para los

QDs en disolución, hasta 30 ns en las películas.

La técnica de FLIM permite también obtener imágenes de las películas

de áreas con dimensiones de 80x 80 m2. En nuestro caso se utilizó un tiempo

se exposición de 2 ms por pixel. Para cada muestra se han medido, al menos,


cinco áreas distintas para obtener tiempos de vida e imágenes representativas

de la superficie. Las medidas se realizaron con una energía de excitación de

108 W cm-2 para minimizar los procesos multiexcitónicos que interfieren en el

análisis de la dinámica de fotoluminiscencia de los QDs.81 Con esta energía de

excitación se puede obtener intensidad de emisión suficiente como para

minimizar la incertidumbre experimental.38

La selección de la longitud de onda a la que se recoge la emisión se

realiza a través de varios filtros de paso de banda colocados frente a los

fotodiodos de avalancha. Puesto que la emisión que proviene de los defectos

superficiales de los QDs se observa a menores energías, y por tanto mayores

longitudes de onda, que la recombinación de excitones del núcleo, estas dos

emisiones se puedes separar espectralmente realizando medidas con distintos

filtros para seleccionar el margen de longitud de onda de emisión. La

recolección de la emisión de ambos procesos en la misma curva, hace que el

análisis de los decaimientos de PL sea aún más complejo.89 Por tanto, se

recogen los espectros de emisión de PL en diferentes intervalos de longitud de

onda, en la región de emisión del azul y rojo del espectro de PL de los QDs.

El espectro de emisión de los QDs disueltos en cloroformo, Figura

IV.2.24, consiste en dos bandas de emisión: una banda intensa a ~ 580 nm y

una banda ancha y no estructurada centrada a longitudes de onda mayores de

~700 nm. La primera banda de emisión corresponde a la recombinación del

excitón, mientras que la banda más ancha se adscribe a la emisión de estados

trampa y a los defectos superficiales en la interfase entre las nanopartículas y el

medio.90-92 Es interesante observar que la intensidad de la banda de defectos

superficiales es mucho menor que la correspondiente a la banda de

recombinación del excitón.


Figura IV.2.24. Gráfico de la longitud de onda seleccionada para recoger la emisión con

diferentes filtros de paso de banda: 545±17.5 nm (azul), 575±15 nm (amarillo), 695±27.5 nm

(rojo) para los QDs en solución. Se muestran también los espectros de adsorción y emisión de

los QDs.

Para evaluar el efecto que producen los defectos superficiales sobre el

decaimiento de fluorescencia de los QDs, se han realizado medidas sobre

distintas áreas de cada película LB utilizando filtros que dejan pasar luz de

distinta longitud de onda. Los filtros de paso de banda utilizados son: filtro

(F1) 545±17.5 nm, (F2) 575±15 nm y (F3) 695±27.5 nm. De acuerdo con el

espectro de emisión representado en la Figura IV.2.24, los filtros F1 y F2

seleccionan la emisión de la recombinación del excitón del núcleo, mientras el

filtro F3 recoge también la emisión de los defectos superficiales de los QDs.

Las curvas de decaimiento recogidas con los tres filtros se presentan en

la Figura IV.2.25 y muestran que el decaimiento de PL es muy similar en el

margen de emisión recogido con los filtros F1 y F2, excepto por pequeños

cambios que pueden deberse a la heterogeneidad de la muestra, o a posibles

interferencias en F2 de la emisión de los defectos superficiales. Cuando se

recoge la emisión con el filtro F3 que tiene una ventana de transmisión de 668-


723 nm aparecen componentes más lentas características del efecto que sobre

la emisión producen los defectos superficiales90-93. Por tanto, puesto que el

objetivo es recoger la emisión de la recombinación evitando al máximo la

interferencia de los defectos superficiales89, todas las medidas se llevaron a

cabo con el filtro de paso de banda F1 cuyo intervalo de longitud de onda va

desde 528 a 563 nm.

0 100 200 300

0.01

0.1

1

Cue

ntas

Nor

mal

izad

as

695 nm

575 nm

t / ns

545 nm

Figura IV.2.25. Curvas normalizadas de decaimientos de PL con diferentes filtros de paso de

banda: 545±17.5 nm (azul), 575±15 nm (amarillo), 695±27.5 nm (rojo) para las películas LB

de QDs depositadas sobre el sustrato de cuarzo a = 26 mN m-1.

Fotoluminiscencia de películas LB de QDs adsorbidas sobre moléculas

anfifílicas

En el estudio preliminar se observó que las películas que producen una

mayor intensidad de emisión corresponden a aquellas preparadas mediante la

metodología que hemos denominado bicapa. Este resultado concuerda con el

trabajo previo que se había realizado con películas de QDs depositados sobre

una película LB del polímero PS-MA-BEE.38 Por lo tanto, en el trabajo que se

presenta en esta memoria se seleccionó esta metodología utilizando diferentes


moléculas anfifílicas coadyuvantes de la adsorción de los QDs sobre cuarzo.

Todas las moléculas anfifílicas seleccionadas poseen la misma cadena

hidrocarbonada formada por 18 átomos de carbono y se diferencian en la

naturaleza del grupo hidrófilo. Se pensó en mantener la misma cadena

hidrocarbonada que el tensioactivo geminal 18-2-18, ya que como se discutió

en las secciones anteriores parece producir una interacción atractiva importante

con las cadenas hidrocarbonadas del estabilizante de los QDs (TOPO), por lo

tanto se varía la naturaleza de la molécula anfifílica lo que permite estudiar el

efecto del grupo hidrófilo sobre la estructura de las películas de QDs. Las

moléculas utilizadas para recubrir el sustrato son, el tensioactivo geminal 18-2-

18, el polímero PMAO, el tensioactivo bromuro de dioctadecil trimetilamonio

(DODAB), y el octadecil tricloro silano (OTS). El tensioactivo DODAB

presenta un único grupo polar amonio unido a dos cadenas hidrocarbonadas de

18 átomos de carbono, por lo que podría esperarse de acuerdo a los resultados

obtenidos que diera dar lugar a películas de QDs más empaquetadas que las

preparadas sobre el tensioactivo geminal 18-2-18. Por último se escogió

octadecil tricloro silano (OTS) porque es una de las moléculas utilizadas con

más frecuencia para 34, 36 para convertir los sustratos como mica, silicio o

vidrio en sólidos más hidrófobos debido a la fuerte interacción entre el grupo

silano y los grupos oxigenados presentes en las superficies de estos sólidos que

da como resultado la formación de enlaces covalentes Si-O.

Se transfieren las monocapas de estas cuatro moléculas anfifílicas sobre

el sustrato de vidrio por la metodología LB a la presión superficial de 30 mN

m-1, buscando películas densas de estos materiales. Las películas de QDs

depositadas a continuación se transfieren a la presión superficial, 9 mN m-1. El

análisis de las imágenes, tiempos de vida e intensidades de PL muestran

diferencias entre la emisión de fluorescencia de las distintas películas.


Figura IV.2.26. Imágenes de FLIM de películas LB de QDs depositados a la presión

superficial de 9 mN m-1 sobre películas LB de: tensioactivo geminal (a), DODAB (b) y OTS

(c) y PMAO (d).

Las imágenes de FLIM muestran que el sistema que presenta mayor

intensidad de fotoluminiscencia se obtiene al trasferir los QDs sobre la película

LB de tensioactivo geminal, Figura IV.2.26a. Por el contrario, cuando se

transfieren sobre el polímero PMAO, Figura IV.2.26d, la intensidad de

fotoluminiscencia es tan pequeña que no es posible discriminar respecto a la

señal de ruido de fondo, por lo que no es posible obtener curvas de decaimiento

que permitan el correcto análisis para esta muestra. Algo parecido ocurre con

los decaimientos de fluorescencia de las películas de QDs depositadas sobre

DODAB y PMAO, aunque en estos casos es posible obtener una señal algo

más intensa que incluso puede analizarse con una función multiexponencial.

Se obtuvieron curvas de decaimiento en distintas regiones de cada una

de estas tres películas para observar si las propiedades son similares en las

distintas zonas. En la Figura IV.2.27 se muestran los decaimientos obtenidas en

cinco regiones diferentes de la misma muestra. Las curvas de decaimiento de


las diferentes áreas coinciden dentro del margen de error experimental, aunque

la mayor convergencia se observa en las películas preparadas al depositar QDs

sobre el geminal. Esto parece indicar que esta película es las más homogénea

de las tres.

0 100 200 300

0.01

0.1

1

Cue

ntas

Nor

mal

izad

as

t / ns

a

0 100 200 300

0.01

0.1

1

C

uent

as N

orm

aliz

adas

t / ns

b

0 100 200 300

0.01

0.1

1 c

Cue

ntas

Nor

mal

izad

as

t / ns

Figura IV.2.27. Curvas de decaimientos de PL normalizadas para cinco regiones distintas en

las películas de QDs a 9 mN m-1: sobre tensioactivo geminal (a), DODAB (b) y OTS (c).

Para confirmar este hecho se obtuvieron las imágenes de TEM de estas

películas. A efectos comparativos, en la Figura IV.2.28 se presentan dichas

imágenes junto a la correspondiente a la película de QDs depositados sobre el

polímero PMAO, Figura IV.2.28d. A la vista de estas imágenes, es posible

concluir que la molécula utilizada para recubrir el sólido que da lugar a las

películas de QDs más ordenadas es la del tensioactivo geminal. Como ya se

explicó en la sección IV.2.2 de esta memoria, el análisis de las imágenes

obtenidas por TEM de estas películas mostró que las nanopartículas poseen una


ordenación hexagonal con una distancia interpartícula de 1.7 nm. Las imágenes

de TEM muestran que en las películas de QDs depositados sobre OTS y

PMAO, Figuras IV.2.28 c y d, respectivamente, se forman pequeños clúster de

QDs que pueden ser responsables del quenching de fluorescencia observado en

estas muestras. Finalmente, la película preparada sobre el tensioactivo

DODAB, Figura IV.2.28b, muestra dominios en los que los QDs están

separados distancias inferiores a la separación que poseen en la película sobre

el tensioactivo geminal, esta pudiera ser la razón de la pequeña intensidad de

fluorescencia emitida por los QDs en esta película.

Figura IV.2.28. Ejemplos de las imágenes de TEM obtenidas para las películas de QDs

depositados a la presión superficial de 9 mN m-1 sobre películas LB de: tensioactivo geminal

(a), DODAB (b), OTS (c) y PMAO (d). El área que se muestra en las imágenes de TEM

corresponde aproximadamente a 1 pixel en las imágenes de FLIM.

Se realizó el ajuste de las curvas correspondientes a los QDs

depositados sobre el tensioactivo geminal, DODAB y OTS que son las curvas


que presentan una intensidad suficiente como para poder analizarlas,

observando que se requieren, tres funciones exponenciales para interpretar las

curvas correctamente. En la Tabla IV.2.5 se presenta el valor promedio de cada

tiempo y de su amplitud, calculado utilizando los valores correspondientes a las

distintas zonas analizadas de cada muestra.

Tabla IV.2.5. Resultados del análisis multiexponencial para los distintos sistemas. Los valores

de chi-cuadrado, χ2, son próximos a 1, y los residuales indican un buen ajuste a los datos

experimentales.

Los resultados muestran que los decaimientos más lentos son los

correspondientes a las películas de QDs depositados sobre el tensioactivo

geminal. Por otro lado, la intensidad de emisión de estas películas es

significativamente mayor que para el resto de películas. Esto parece indicar que

los procesos de quenching de fluorescencia son más efectivos en las películas

de QDs preparadas sobre OTS y DODAB que sobre el tensioactivo geminal y

pueden atribuirse a la formación de los pequeños clúster de QDs muy

empaquetados observada mediante TEM en las películas de QDs sobre OTS y

DODAB, en contraste con las películas de QDs sobre el tensioactivo geminal

que presentan una mayor organización y separación entre las partículas.

A la vista de los resultados, y teniendo en cuenta que la mayor

intensidad de emisión la presentaban los QDs depositados sobre la película LB

QDs//Geminal QDs//DODAB QDs//OTS

τ1 / ns 1.1 ± 0.1 1.0 ± 0.1 0.8 ± 0.4

f1 (%) 22 ± 2 25 ± 4 26 ± 5

τ2 / ns 6.0 ± 0.3 5.0 ± 0.6 3.5 ± 0.9

f2 (%) 32 ± 3 48 ± 9 55 ± 5

τ3/ ns 105 ± 4 86 ± 9 65 ± 10 f3 (%) 46 ± 4 22 ± 2 20 ± 2

τmedio 50 ± 3 22 ± 10 16 ± 8


del tensioactivo geminal, se decidió llevar a cabo un estudio más profundo y

detallado de la emisión de fotoluminiscencia de estas películas. El primer paso

fue estudiar el efecto de la concentración superficial de QDs sobre las

propiedades de fluorescencia de las películas y se ha comparado con los

resultados obtenidos, en las mismas condiciones, para las películas LB de QDs

depositados directamente sobre el sustrato.

Fotoluminiscencia de películas LB de QDs sobre tensioactivo geminal

Se transfirieron monocapas de Langmuir de distinta densidad

superficial controlada mediante el valor de la presión superficial desde la

interfase aire-agua hasta la película LB del tensioactivo geminal. Las

concentraciones superficiales de las películas de QDs transferidas

corresponden a las presiones superficiales de 5, 9 15 y 26 mNm-1. Las

imágenes representativas de estas películas obtenidas mediante FLIM se

presentan en la Figura IV.2.29. Las imágenes correspondiente a la monocapa

de QDs de presión superficial de 5 mN m-1 muestra zonas no recubiertas,

probablemente porque a esta concentración superficial no hay QDs suficientes

como para recubrir completamente el sólido. Al aumentar la presión superficial

de la monocapa hasta 9 mN m-1, se observa que el recubrimiento aumenta

respecto al que posee la anterior película, y si la concentración superficial se

sigue aumentando hasta 15 mN m-1, comienzan a observarse zonas oscuras,

que son las que predominan cuando la presión superficial de la monocapa

aumenta hasta 26 mN m-1.


Figura IV.2.29. Imágenes de FLIM (a-d) y TEM (e) de películas LB de QDs transferidas a las

presiones superficiales de 5 (a), 9 (b), 15 (c) y 26 (d, e) mN m-1 sobre la película LB de

tensioactivo geminal depositada a 30 mN m-1.

Otra información que puede extraerse de las imágenes obtenidas

mediante FLIM tiene que ver con tiempo de vida de emisión, que está

relacionado con el color de las distintas regiones de cada imagen. Al comparar

las imágenes de las películas se observa que aquellas preparadas a 5, 9 y 15

mN m-1 muestran un tiempo de vida muy similar, correspondiente al color

amarillento verdoso en la escala de la imagen, mientras que en la imagen a 26

mN m-1 este color no predomina.

Para cuantificar los dos hechos detectados a través de la simple

inspección visual de las imágenes, se determinó en primer lugar la intensidad

de emisión de PL total de las imágenes, que se ha representado en la Figura

IV.2.30, donde las barras de error representan la desviación estándar de cinco

áreas de la muestra y, en segundo lugar, se analizaron las curvas de

decaimiento de fluorescencia obtenidas para las distintas películas. Un ejemplo

representativo de estas curvas se presenta en la Figura IV.2.31.


0 10 20 300.0

5.0x105

1.0x106

/ mN m-1

Int

ensi

dad

de P

L (

cuen

tas)

Figura IV.2.30. Intensidad de fotoluminiscencia total de las imágenes frente a la presión

superficial de deposición de los QDs sobre el sólido recubierto con tensioactivo geminal.

Los resultados de la intensidad de emisión de las distintas películas,

representada frente a la presión superficial en la Figura IV.2.30, confirman las

conclusiones obtenidas de las imágenes. Como se observa en la Figura IV.2.30,

la intensidad de emisión es similar para las películas preparadas con

monocapas de Langmuir de presión superficial 5, 9 y 15 mN m-1, que presentan

una distribución de partículas regular y empaquetada hexagonalmente.

Mientras, la intensidad disminuye a presiones superficiales más altas, de 26

mN m-1, donde se observan clusters de QDs (Figura IV.2.29e) que podrían

actuar como trampas de energía disminuyendo la intensidad de emisión de PL.

Este comportamiento se ha observado en el trabajo previo de películas LB de

QDs con el polímero PS-MA-BEE38, y también por otros autores que

mostraron la existencia de quenching de PL en pequeños clusters de QDs.94 La

estabilización de estados cargados no emisivos a través de interacciones de

Coulomb entre los QDs parece ser la responsable de este comportamiento.82, 95-

97


0 100 200 300

0.01

0.1

1

t / ns

Cue

ntas

Nor

mal

izad

as

Figura IV.2.31. Curvas de decaimiento de las imágenes de películas de QDs a las presiones

superficiales de 5 mN m-1 (línea negra), 9 mN m-1 (línea roja), 15 mN m-1 (línea verde) y 26 mN

m-1 (línea azul) sobre la película LB de tensioactivo geminal a 30 mN m-1.

Respecto al efecto de la concentración superficial sobre los

decaimientos de emisión de fluorescencia, también parecen claras las

diferencias. De acuerdo con las curvas presentadas en la Figura IV.2.31 la

curvatura es diferente, y las mayores diferencias se observan en la curva

correspondiente a las películas de QDs más densas, 26 mN m-1. Para visualizar

estas diferencias se realiza el análisis multiexponencial de estas curvas. A

continuación se representa el valor de los tiempos de vida de emisión frente a

su amplitud. En estas curvas, como ya se comentó anteriormente, el mejor

ajuste corresponde a la suma de tres funciones exponenciales. Con el objetivo

de visualizar mejor el efecto, se ha obtenido el valor promedio de los dos

tiempos de vida pequeños utilizando sus respectivas amplitudes, y se presentan

junto con el tiempo de vida del proceso más lento, que en estas películas

corresponde a > 40 ns. Esta representación se muestra en la Figura IV.2.32.


20 30 40 50 60 70 8002468

10

50

100

150

5 mN m-1

9 mN m-1

15 mN m-1

26 mN m-1

Tie

mpo

s de

vid

a (n

s)

Amplitud (%)

Figura IV.2.32. Tiempos de vida de fluorescencia frente a sus amplitudes, obtenidos del

análisis multiexponencial del decaimiento, para las películas de QDs a las presiones

superficiales de 5, 9, 15 y 26 mN m-1 depositadas sobre la película LB de tensioactivo geminal.

Los dos tiempos pequeños del decaimiento se han promediado utilizando sus amplitudes (parte

inferior del gráfico), y se representan junto con el tiempo largo (parte superior del gráfico).

Los resultados representados en la Figura IV.2.32 muestran que en las

películas que contienen una mayor densidad de QDs, presión superficial de 26

mN m-1, predomina los procesos más rápidos, mientras que para el resto de

películas los procesos más rápidos son similares en amplitud al proceso más

lento.

Para interpretar el efecto que produce la capa de tensioactivo sobre las

propiedades de fotoluminiscencia de los QDs es necesario comparar con las

propiedades de las películas de QDs depositadas directamente sobre el sustrato.

Por ese motivo se obtuvieron las imágenes de FLIM de películas de QDs

preparadas a partir de monocapas de Langmuir de presión superficial de 5, 9 y


26 mN m-1 directamente depositadas sobre el sólido. Imágenes representativas

de estas películas se presentan en la Figura IV.2.33.

Figura IV.2.33. Imágenes de FLIM de películas LB de QDs transferidas sobre el sustrato a las

presiones superficiales de 5 (a), 9 (b) y 26 (c) mN m-1.

La inspección visual de estas imágenes permite sacar ciertas

conclusiones, la primera es que en estas películas se observa la existencia de

agregados de tipo esférico. Estos agregados podrían corresponder a los

agregados 3D que se observaron en las imágenes obtenidas mediante AFM,

Figura IV.2.5. Por otra parte, el brillo de las imágenes parece mayor que el

brillo de las imágenes obtenidas para las películas de QDs sobre el tensioactivo

geminal. Puesto que el brillo está relacionado con la intensidad emitida, este

comportamiento indica que la intensidad emitida es superior en las películas

depositadas directamente sobre el sustrato que cuando se depositan sobre el

tensioactivo. Para cuantificar este efecto, en la Figura IV.2.34 se representa el

valor de la intensidad de fotoluminiscencia frente a la presión superficial de la

monocapa de QDs depositada sobre el sustrato con y sin recubrir con

tensioactivo geminal. Como se observa en la Figura IV.2.34, la intensidad

emitida es mayor en el caso de los QDs depositados directamente sobre el

soporte sólido que sobre el tensioactivo. Este efecto podría deberse a que este

tipo de agregado bloquea alguna de las rutas que compiten con la emisión de


fluorescencia. Un intento de explicar este fenómeno se presentará en la

próxima sección.

0 10 20 300

1x106

2x106

Int

ensi

dad

de P

L (

cuen

tas)

/ mNm-1

Figura IV.2.34. Intensidad de fotoluminiscencia total de las imágenes frente a la presión

superficial de deposición de los QDs sobre el sustrato (), y sobre el sustrato recubierto con la

película de tensioactivo geminal ().

Se analizaron las curvas de decaimiento de fluorescencia con un análisis

multiexponencial. Algunas curvas se presentan en la Figura IV.2.35.

0 100 200 300

0.01

0.1

1

C

uent

as N

orm

aliz

adas

t / ns

Figura IV.2.35. Curvas de decaimiento de las imágenes de películas de QDs a las presiones

superficiales de 5 mN m-1 (línea negra), 9 mN m-1 (línea roja) y 26 mN m-1 (línea azul)


Como en los casos anteriores el mejor ajuste requiere al menos de 3

funciones exponenciales. Para poder visualizar las diferencias entre las

distintas muestras se ha representado el valor promedio correspondiente a los

dos procesos rápidos y el de la componente más lenta frente a sus respectivas

amplitudes. La representación se recoge en la Figura IV.2.36.

20 30 40 50 60 70 8002468

10

50

100

150

Tie

mpo

s de

vid

a (n

s)

5 mN m-1

9 mN m-1

26 mN m-1

Amplitud (%)

Figura IV.2.36. Tiempos de vida de fluorescencia frente a sus amplitudes, obtenidos del

análisis multiexponencial del decaimiento, para las películas de QDs a las presiones

superficiales de 5, 9, y 26 mN m-1 depositadas sobre el sustrato de cuarzo. Los dos tiempos

pequeños del decaimiento se han promediado utilizando sus amplitudes (parte inferior del

gráfico), y se representan junto con el tiempo largo (parte superior del gráfico).

Los resultados muestran una tendencia diferente en el caso de la

película obtenida transfiriendo una monocapa de presión superficial de 5 mN

m-1. En este caso la componente más lenta tiene un peso mayor en el

decaimiento que la componente rápida. El comportamiento es el contrario en

las otras dos películas que contiene una mayor concentración superficial de

QDs. Una primera interpretación nos llevaría a pensar que en la película de

menor concentración superficial (5 mN m-1) los procesos característicos de los


QDs aislados, que inducen decaimientos más lentos, tienen una contribución

mayor, como se observaba en la Figura IV.2.23 donde se compara el

decaimiento de QDs en disolución frente al de una película LB de QDs. Por

tanto, una mayor agregación promueve una disminución del tiempo de vida de

emisión, en concordancia con los resultados descritos en bibliografía.82 En un

intento de demostrar esta afirmación se comparan las curvas de decaimiento de

fluorescencia de dos zonas correspondientes a una región con agregados 3D

(Figura IV.2. 37a), y a otra con menor agregación (Figura IV.2. 37b). En estas

figuras las regiones analizadas se enmarcan dentro de un círculo. Las curvas de

decaimiento se presentan en la Figura IV.2. 37c.

10 1000.01

0.1

1 c

1

t / ns

Cue

ntas

Nor

mal

izad

as

2

Figura IV.2.37 Imágenes de FLIM (a,b) y curvas de decaimiento de fluorescencia (c) de

regiones con estructuras diferentes encontradas en la películas de QDs a la presión superficial

de 5 mN m-1: zona con agregados (línea 1, negra), y zona sin agregados (línea 2, azul).


Como se observa en la Figura IV.2.37c, la emisión de fluorescencia es

más rápida en las zonas en las que existen agregados 3D.

Interpretación de la dinámica de fotoluminiscencia de las películas de QDs

Como se ha comentado anteriormente, la dinámica de PL de los QDs en

la escala de tiempo de ns a s es intrínsecamente compleja debido al

importante papel que juegan los defectos superficiales y los estados con

trampas de carga en la relajación del estado excitado.81, 89, 91, 98, 99 Estos efectos

aumentan en el caso de que los QDs estén depositados sobre sólidos formando

películas delgadas, ya que aumenta la posibilidad de transferencia de energía

entre los QDs, debido a las pequeñas distancias interpartícula en las regiones

de la película más empaquetadas. Basándonos en una serie de resultados y de

modelos para interpretar la cinética de emisión de QDs depositados en

películas delgadas sobre el polímero PS-MA-BEE, se ha propuesto en un

modelo que puede esquematizarse en la Figura IV.2.38.43 En dicho modelo se

considera que además del proceso de recombinación radiativa, existen otros

procesos que compiten con la emisión de fluorescencia. Estos procesos son, las

trampas de portadores de carga en los defectos superficiales de los QDs, ked; la

transferencia de carga con los orbitales de los ligandos, kct; la relajación al

estado fundamental desde estados correspondientes a nanopartículas con

distintos defectos superficiales, kdg y desde los estados atrapados de carga, kbg.

La relajación a estados de QDs con defectos superficiales conlleva una

disminución de la emisión de fluorescencia, quenching, por la recombinación

del excitón desde el límite de banda, ked, promoviendo un decaimiento del

estado excitado más rápido. El origen de los defectos superficiales puede ser

muy variado, y va desde defectos propios como son vacantes del metal o

enlaces del ligando defectuosos,100 hasta procesos de desprendimiento de las

moléculas de ligando, este último observado en las disoluciones de QDs en


disoluciones.87 Otros procesos de recombinación no radiativa como la

relajación de portadores de carga y procesos multiexcitónicos pueden también

contribuir a decaimientos del estado excitado más rápidos. En el caso particular

de las películas de QDs depositadas sobre sólidos hay que añadir la posibilidad

de migración de energía y estados atrapados de carga entre los QDs debido a

un empaquetamiento compacto de las partículas. En el trabajo previo llevado a

cabo con los QDs depositados sobre el polímero PB-MA-BEE se observó que

el proceso de transferencia de energía es la principal vía de pérdida de emisión

de fluorescencia, que además se ve incrementada cuando en la película se

observan clúster en 2D. El empaquetamiento compacto de las nanopartículas

también da lugar a quenching de fotoluminiscencia debido a la estabilización

de estados cargados no emisivos por interacciones coulombianas entre los QDs

que forman el clúster. 82, 95, 96 La estabilización coulombiana de estados

cargados solamente produce quenching si favorece la recombinación de carga

al estado fundamental, respecto al estado excitado, kbe. Finalmente, la

luminiscencia retardada debido a transferencia de carga y captura en los QDs

(kct y kbe) es la principal contribución de QDs aislados o regiones compactas sin

trampas, que no sufren quenching de fluorescencia. Esta emisión explica el

comportamiento multiexponencial observado en los decaimientos de PL de

cientos de ns en adelante y que está asociado a una tasa de decaimiento lenta.


Figura IV.2.38. Esquema simplificado de varios procesos involucrados en la dinámica de

fotoexcitación de los QDs. (Martín-García, 2013 38, Jones, 2010 77).

A la vista de este complejo escenario, es evidente que la separación que

se hace en la Figura IV.2.38 entre estados de defectos superficiales y estados

de carga atrapada es sólo una distinción formal, ya que los estados de defectos

superficiales pueden tener separación de cargas que se encuentren atrapadas en

la superficie. La clave para entender el significado del esquema es considerar

que los estados que hemos denominado estados con defectos superficiales

pueden ser emisivos y que su espectro se observa a energía más baja que el

espectro relativo a la emisión desde los estados de excitón, este hecho ya se

comentó al analizar los espectros de emisión presentados en la Figura IV.2.24

de esta memoria. Estos estados contribuyen a la desactivación de la

fluorescencia proveniente de los estados excitónicos con una componente muy

rápida. Se distinguen estos estados de los que denominamos estados de carga

atrapada en que, en estos últimos, la carga queda atrapada en la superficie de

la nanopartícula y pueden recombinarse al estado excitado del núcleo de la

nanopartícula dando lugar a una emisión retrasada, delayed fluorescence, que

se manifiesta en una componente lenta del decaimiento que generalmente se

interpreta como una ley de potencia.98


Con todo lo explicado hasta el momento la emisión de fluorescencia de

los QDs en películas delgadas es un proceso realmente complejo en el que hay

procesos interrelacionados difíciles de considerar a la hora de proponer un

modelo teórico. Sin embargo, para interpretar la compleja emisión de las

películas de QDs preparadas con ayuda del polímero PS-MA-BEE propusimos

un modelo38 que nos permitió relacionar los procesos de transferencia de

energía y carga con la morfología de las películas, y que puede ser útil para

interpretar los resultados que se han obtenido con este nuevo sistema.

Para llevar a cabo la interpretación mediante este modelo es necesario

hacer unas consideraciones previas. Respecto a la componente debida a la

emisión desde los denominados estados con defectos superficiales, como se

demostró en los espectros presentados en la Figura IV.2.24, la emisión desde

estos estados se produce a valores de longitudes de onda superiores a 650 nm,

por lo tanto a longitudes de onda superiores a la emisión debida a los estados

excitónicos del núcleo de las nanopartículas. Puesto que en nuestros

experimentos se ha trabajado con un filtro F1 que tiene una ventana de

transmisión entre 528 a 563 nm, la radiación correspondiente a la emisión de

los estados con defectos superficiales está prácticamente eliminada, aunque una

pequeña interferencia se puede observar en todos los decaimientos y

corresponde a la componente de tiempo de vida muy pequeño, < 1-2 nm. Por

ese motivo en el análisis no se considerarán las partes iniciales de las curvas de

decaimiento t < 10 ns, que corresponden al proceso rápido de desactivación

debido a la relajación desde estados con defectos superficiales, para centrarnos

exclusivamente en las componentes más lentas que corresponden al proceso de

emisión desde los estados excitónicos del núcleo de la partícula y los procesos

asociados a esa emisión. En el margen de tiempo analizado, entre 10 y unos

cientos de ns, la curvatura de las curvas de decaimiento es muy pronunciada y

pueden observarse diferencias dependiendo del tipo de película, siendo las


diferencias más acentuadas en las curvas correspondientes a las regiones en las

que hay agregados 3D, observados en las películas de los QDs depositados

directamente sobre el sustrato. Con todas estas consideraciones, se ajustaron las

curvas de decaimiento de fluorescencia de las películas de QDs al modelo que

se detalla a continuación. El modelo considera dos contribuciones

independientes, denominadas y , respectivamente.

1 . [IV.2.6]

El primer término, , describe la emisión desde los estados

excitónicos y puesto que esta emisión está sometida a procesos de

recombinación de los estados con cargas atrapadas y los estados excitónicos

del núcleo, se utilizó para describirlo el modelo de Tachiya-Mozumder.87, 101

Este modelo considera el mecanismo de captura de carga como debida a un

efecto túnel del electrón hacia una distribución uniforme de trampas. De

acuerdo con este modelo la función de decaimiento se calcula por una función

de Laplace inversa:

r ct , [IV.2.7]

En esta función aparecen tres parámetros ajustables, la tasa de

recombinación radiativa r, el término de la tasa de transferencia de carga

, y un exponente de ley de potencia 1 . El valor tomado inicialmente

en los ajustes para fue de 30 ns. Este valor se ha estimado del ajuste de

en los decaimientos de PL QDs disueltos en cloroformo y corregidos para

medio dieléctrico en la película. El término de tasa de transferencia de carga

se varió para ajustarse al comportamiento observado a valores de tiempo

grandes en los decaimientos de las películas. La estimación inicial del


exponente 1 ~ 2 también se basa en los resultados de decaimiento de PL de

QDs de disolución de cloroformo. Utilizando 1 ~ 2, o el equivalente ~ 1,

en la ecuación IV.2.7 se obtiene:

exp r 1 ct⁄ [IV.2.8]

La ecuación IV.2.8 predice un decaimiento que sigue una ley de tipo

exponencial, de acuerdo con los resultados observados a tiempos grandes en

todas las curvas de decaimiento de fluorescencia de las películas de QDs.

El término describe la componente relacionada con la

transferencia de energía y en este caso se utilizó el modelo propuesto por Fayer

et al.102, 103 para interpretar la transferencia de energía dentro de un sistema 2D

en el que las especies dador y aceptor están distribuidas aleatoriamente en el

plano. En estas condiciones, la función de Green s ′, utilizada para

calcular la probabilidad de que la excitación ocurra en el sitio excitado inicial

al tiempo t viene dada por la siguiente ecuación en el dominio de Laplace,

s 2 ⁄ 3 ⁄D⁄

D 2 ⁄T

s ⁄1⁄ 0

[IV.2.9]

donde D es el tiempo de vida del dador, D y T las concentraciones reducidas

de dadores y aceptores trampas, respectivamente. En la ecuación IV.2.9 la

probabilidad D de que la excitación esté en el conjunto de dadores a un

tiempo t se obtiene de la transformada inversa de:

D 0, s 1 2 ⁄ D 3 ⁄D⁄ s ⁄

[IV.2.10]

La correspondiente ley de decaimiento se obtiene multiplicando D por un

decaimiento exponencial con el tiempo de vida del dador:


exp D⁄ D . [IV.2.11]

En los ajustes realizados a las curvas de decaimiento se asume en la

ecuación IV.2.8 la aproximación para el decaimiento individual de QDs en el

tiempo de escala de cientos de ns, lo cual implica que el tiempo de vida del

dador es D~ r 1 ct . Las concentraciones reducidas D y T se

definen por:

DDD

D , TDT

T, [IV.2.12]

donde DD y DT son el radio de Föster para la transferencia de energía dador-

dador y dador-trampa, D y T son la densidad de dadores y trampas,

respectivamente. Aunque la distancia interpartícula sea comparable al tamaño

de los QDs, se ha mostrado que la aproximación dipolar en la teoría de Förster

describe razonablemente bien la transferencia de energía de excitación entre

QDs o entre QDs y moléculas fluorescentes.104, 105 En el ajuste de las curvas se

trataron los términos D y T como parámetros ajustables.

Los decaimientos de PL de las películas de QDs se describen sólo de

forma aproximada con la ecuación IV.2.6 debido a dos razones: 1) a valores de

tiempo muy pequeños (por debajo de 10 ns) los defectos superficiales

contribuyen a un decaimiento rápido de estado excitado y 2) el modelo

considerado para las regiones compactas, , no tiene en cuenta efectos

límite debido al tamaño finito del dominio. A pesar de no considerar estos dos

efectos, la descripción aproximada con la ecuación IV.2.6 permite estudiar la

dinámica de PL de las películas de QDs utilizando sólo unos pocos parámetros

ajustables que arrojan luz sobre los procesos físicos que tiene lugar en el

sistema estudiado.38


Una vez descrito brevemente el modelo que se utilizará para interpretar

los decaimientos de fluorescencia se pasará a realizar el ajuste de los resultados

experimentales a este modelo. En el trabajo que se presenta se analizarán los

decaimientos correspondientes a zonas en las que la morfología de la película

es muy diferente. Se han seleccionado regiones en las que se observan

agregaciones 3D y otras en las que los QDs están distribuidos de una manera

más homogénea y organizada. Las primeras pertenecen fundamentalmente a las

películas de QDs depositados directamente sobre el sustrato sólido, aunque ha

sido posible seleccionar alguna región en la que se observan agregados en una

película de QDs depositados sobre el tensioactivo geminal. Por el contrario, las

regiones de QDs más organizados corresponden a las películas de QDs

depositadas sobre el tensioactivo geminal 18-2-18.

Se comienza presentando en la Tabla IV.2.6 los valores de los

parámetros obtenidos en el ajuste de los resultados correspondientes a los

decaimientos en las películas de QDs depositadas directamente sobre el

sustrato a la ecuación IV.2.6. Las regiones corresponden a la película preparada

al depositar una monocapa de QDs a la presión de 5 mN m-1 directamente sobre

cuarzo. En la Figura IV.2.39 se indican las zonas analizadas. La denominación

de cada área se indica en la Tabla IV.2.6 para poder identificar la región a la

que corresponden los parámetros.


Figura IV.2.39. Imagen obtenida mediante FLIM de una película de QDs depositada

directamente sobre el sustrato de cuarzo a la presión de 5 mN m-1.

Tabla IV.2.6. Parámetros obtenidos del ajuste de los resultados experimentales a la ecuación IV.2.6 para los decaimientos de PL de las áreas señaladas en la Figura IV.2.39.

C1 C2 C3 A4 A5

r (ns) 30.23 30.27 30.19 29.98 30.11

ct 2 2 1.85 1.93 2.24 1 1.95 1.95 1.95 1.95 1.95

0.236 0.225 0.264 0.302 0.311

D 3.27 3.28 3.35 3.28 3.31

T 0.350 0.331 0.386 0.625 0.595 1.192 1.253 1.122 1.083 1.036

A la vista de los parámetros obtenidos en el proceso de ajuste es

interesante hacer ciertas consideraciones. En primer lugar se observa que los

valores de los parámetros , ctk0 y (1 + ) son independientes de la región

considerada. Además el valor de concuerda con los valores típicos

encontrados en bibliografía para QDs de CdSe76 y con el valor obtenido cuando

se analizaron las películas de QDs y el polímero PS-MA-BEE.38 Este

comportamiento es el esperado ya que representa una propiedad fotofísica

intrínseca de los QDs. Es interesante considerar que los valores de los

parámetros ctk0 y (1 + ) también coinciden con los valores encontrados al

analizar con este modelo las curvas de decaimiento de fluorescencia de QDs en


películas que contienen el polímero PS-MA-BEE.38 Estos parámetros están

relacionados con la componente más lenta y por tanto con la fluorescencia

retrasada según la ecuación IV.2.8. Puesto que estos parámetros presentan

valores similares en los distintos sistemas estudiados, se puede concluir que los

procesos de recombinación de los estados con cargas atrapadas y los estados

excitónicos son similares en los sistemas estudiados. Como ya ocurrió en el

caso de las películas de QDs y el polímero PS-MA-BEE, la concentración de

dadores es similar en todas las regiones analizadas, e igual a 3.3 dentro de un

área correspondiente al radio de Förster. La concentración de trampas, CT,

varía de unas regiones a otras, y los valores obtenidos para las distintas

regiones de estas películas están dentro del margen de valores obtenidos en las

películas de QDs y PS-MA-BEE. Por último, un interesante resultado es que el

peso de las dos componentes ( varía de unas regiones a otras. Además, el

valor del parámetro próximo a 1 indica que el ajuste de los resultados

experimentales a la ecuación IV.2.26 es aceptable.

A continuación se analizaron los decaimientos de fluorescencia de

cuatro regiones distintas de la película correspondiente a QDs depositados

directamente sobre el sólido, en los que la monocapa de Langmuir transferida

tiene una presión superficial de 9 y 26 mN m-1. Los parámetros del ajuste se

presentan en la Tabla IV.2.7. En la Figura IV.2.40 se indican las regiones

analizadas, que corresponden a regiones donde hay agregados de QDs.


Figura IV.2.40. Imágenes obtenidas mediante FLIM para películas de QDs depositadas

directamente sobre el sustrato de cuarzo a la presión de (a, b) 9 y (c, d) 26 mN m-1.

Tabla IV.2.7. Parámetros obtenidos del ajuste de los resultados experimentales a la ecuación

IV.2.6 para los decaimientos de PL de las áreas señaladas en la Figura IV.2.40.

C10 C11 C12 C13

r (ns) 29.94 29.93 29.78 29.81

ct 2 2 2 2 1 1.95 1.95 1.95 1.95

0.099 0.130 0.201 0.040

D 3.34 3.25 3.37 3.58

T 0.270 0.331 0.358 0.173 1.791 1.478 1.184 1.930

Por último se analizaron los decaimientos de fluorescencia de cuatro

regiones distintas de la película LB de QDs depositados sobre el tensioactivo

geminal. La película cuya imagen se representa en la Figura IV.2.41a se

preparó depositando una monocapa de QDs de presión superficial 5 mN m-1,

mientras que en la imagen presentada en Figura IV.2.41b la concentración de

QDs es mayor y corresponde a una monocapa de presión superficial 9 mN m-1.


Figura IV.2.41. Imágenes obtenidas mediante FLIM de películas de QDs adsorbidas sobre una

monocapa de tensioactivo geminal. Las monocapas de QDs adsorbidas se prepararon a partir

de monocapas de Langmuir a las presiones superficiales de(a) 5 mN m-1 y (b) 9 mN m-1.

Como se observa en la Figura IV.2. 41a, en esta película aparece una

zona en la que los QDs están formando agregados 3D, por lo que se seleccionó

esa región para comparar los resultados con los de los agregados 3D

observados en las películas de QDs directamente depositados sobre el sólido.

Las curvas de decaimiento de fluorescencia se ajustaron aceptablemente

al modelo y los parámetros obtenidos del mejor ajuste se presentan en la Tabla

IV.2.8.

Tabla IV.2.8. Parámetros obtenidos del ajuste de los resultados experimentales a la ecuación

IV.2.6 para los decaimientos de PL de las áreas señaladas en la Figura IV.2.41 de películas de

QDs sobre tensioactivo geminal a la presión superficial de (a) 5 mN m-1 (b) 9 mN m-1.

C6 A7 A8 A9 (ns) 29.96 29.84 29.80 29.81

2 2 2 2 1 1.95 1.95 1.95 1.95

0.245 0.278 0.119 0.138 3.04 3.12 3.10 3.26 0.435 0.375 0.621 0.666 1.086 1.067 1.235 1.084


Los valores de los parámetros obtenidos en el ajuste de las curvas de

decaimiento de fluorescencia de las distintas regiones analizadas dentro de las

películas muestran que las mayores diferencias se observan en los valores del

peso de cada término en la ecuación IV.2.6 y en la concentración de trampas o

aceptores, CT, correspondientes al proceso de transferencia de energía. A

efectos comparativos en la Figura IV.2.42, se representa el peso

correspondiente al término de transferencia de energía, (1-, frente a la

concentración de trampas CT. Con fines comparativos en la figura se

representan también los resultados correspondientes al sistema formados por

QDs y el polímero PS-MA-BEE38, triángulos.

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.70.6

0.7

0.8

0.9

1.0

(1-

)

CT

Figura IV.2.42. Representación de la variación de 1- con CT para las películas de QDs. En las

zonas de agregados 3D los resultados corresponden a películas preparadas a partir de

monocapas de presión superficial de: 5 mN m-1 (), 9 y 26 mN m-1 (). En las películas de

QDs a la presión superficial de 9 mN m 1 transferidos sobre el tensioactivo geminal los

símbolos () corresponden a zonas de QDs más dispersas, y () a zonas de agregados 3D. A

efectos comparativos se incluyen resultados de las película de QDs depositados sobre el

polímero PS-MA-BEE () tomados de la ref.38 La línea indica la tendencia de los agregados

3D.


Como se observa en la Figura IV.2.42, la variación de 1- con CT tiene

una tendencia contraria en el caso de los decaimientos correspondientes a las

regiones en las que hay agregados 3D respecto a las que no los tienen. Así, en

las regiones en las que no existen agregados, a medida que aumenta la

concentración de aceptores aumenta el peso del componente correspondiente a

la transferencia de energía, mientras que en las regiones en las que hay un

número significativo de agregados 3D el comportamiento es el contrario. El

comportamiento observado en las regiones en las que los QDs están

homogéneamente distribuidos es el esperado, ya que al aumentar la

concentración de aceptores o trampas por unidad de dador, es lógico pensar

que el proceso de transferencia de energía se vea favorecido, lo que se traduce

en un aumento del peso de esa componente en el decaimiento de fluorescencia.

Por el contrario, la tendencia observada en las regiones en las que hay

agregados 3D se desvía claramente de este comportamiento. Aunque parece

razonable el alto valor del peso de la componente de transferencia de energía

observada a valores de CT muy bajos, ya que en los agregados los QDs estarán

muy próximos y separados una distancia dentro del radio de Förster, no se

encuentra justificación al hecho de que al aumentar el valor de CT disminuya el

peso de esta componente. La única explicación posible es que el modelo

utilizado está diseñado para películas 2D de QDs, que no corresponde a la

situación en la que se encuentran los QDs dentro de los agregado 3D. Será

necesario disponer de más resultados experimentales que permitan avanzar en

la interpretación de este comportamiento con la ayuda del modelo adecuado.


Se ha analizado el efecto de la composición superficial en la estructura

del auto-ensamblaje de los QDs modificando las monocapas de Langmuir

precursoras de las películas LB. Se han escogido el polímero PMAO y el


tensioactivo geminal 18-2-18 como matrices para asistir el proceso de auto-

ensamblaje. Nuestros resultados demuestran que la aglomeración de los QDs se

evita por medio de la adición del polímero PMAO o del tensioactivo 18-2-18.

Las interacciones atractivas entre las cadenas hidrocarbonadas de estos

compuestos y las cadenas del estabilizados de los QDs hidrófobos; TOPO, dan

lugar a la adsorción de los QDs en las matrices y a su vez, el grupo hidrófilo

del polímero o del tensioactivo mejora la adsorción de los QDs sobre el

sustrato sólido, evitando la aglomeración de las nanopartículas.

Dos mecanismos diferentes de dewetting se han observado en las

películas estudiadas. Por un lado, para matrices de PMAO se obtiene el

mecanismo de nucleación y crecimiento de agujeros, mientras que en matrices

de tensioactivo geminal el dewetting es de tipo espinodal. Cuando se utilizan

mezclas PMAO/Geminal como matrices para los QDs, se pueden observar

ambos mecanismos; sin embargo la morfología característica de la ruta de

dewetting del polímero prevalece incluso en películas preparadas con baja

concentración del mismo, debido a su elevado peso molecular. Finalmente,

estos resultados muestran que es posible modular el auto-ensamblaje de los

QDs modificando la composición superficial de las monocapas de Langmuir

precursoras de las películas LB mediante la adición del polímero PMAO o el

tensioactivo geminal 18-2-18. Esta estrategia se puede presentar como una

metodología bottom-up reproducible para modelar en la nanoescala.

Los resultados obtenidos para la deposición de QDs sobre películas LB

de PMAO y tensioactivo geminal demuestran que la morfología de la película

de QDs depende de las interacciones interfaciales entre las nanopartículas y las

moléculas empleadas para cubrir el sustrato sólido. Las diferentes morfologías

se relacionan con dos aspectos: la capacidad de mojado de la película, y la

morfología de la película utilizada para recubrir el sustrato. De este modo, la

película de tensioactivo muestra la mejor capacidad de mojado, puesto que está


constituida por moléculas de tensioactivo fuertemente empaquetadas, y da

lugar a una película prácticamente continua de QDs. Por otro lado, cuando la

película de QDs se deposita sobre la película de PMAO, aunque el mojado de

la película es bueno, la deposición es menos efectiva que en el caso del

tensioactivo. Este comportamiento puede deberse a la presencia de áreas no

cubiertas con polímero que se observan en la película de PMAO debidas al

crecimiento de agujeros durante el proceso de secado. En conclusión, estos

resultados demuestran que es posible modular el auto-ensamblaje de los QDs

sobre sólidos modificando la naturaleza de las moléculas seleccionadas para

recubrir el sustrato sólido.

Se ha caracterizado la dinámica de fotoluminiscencia de las películas de

QDs transferidas sobre el sólido recubierto con diferentes moléculas orgánicas,

el polímero PMAO, el tensioactivo DODAB, el tensioactivo geminal 18-2-18 y

el silano OTS. Dentro de estos sistemas, las películas más homogéneas y

uniformes se obtienen depositando los QDs sobre el tensioactivo geminal,

como se observa en las imágenes obtenidas mediante la técnica de FLIM, que

corroboran las imágenes obtenidas mediante otras técnicas de microscopía. Se

analizaron las curvas de decaimiento de fluorescencia mediante un modelo

propuesto en un trabajo previo por nuestro grupo,38 que interpreta

aceptablemente los resultados experimentales correspondientes a las películas

de QDs depositadas sobre la película LB del tensioactivo geminal en las que no

hay agregados 3D. Sin embargo, los parámetros obtenidos del ajuste para los

QDs depositados directamente sobre el sólido formando agregados 3D se

desvían del comportamiento planteado para este modelo. El modelo interpreta

las curvas de decaimiento de fotoluminiscencia como debidas a la emisión

desde los estados excitónicos del núcleo de las nanopartículas, en las que hay

dos procesos que compiten con la emisión de fluorescencia. Estos dos procesos

son la recombinación de estados que poseen cargas atrapadas en la superficie y


la transferencia de energía entre QDs. El peso relativo de estos dos procesos

puede relacionarse con la morfología de las películas de QDs. Por último, a la

vista de estos resultados, es posible concluir que para aumentar la intensidad de

emisión de las películas de QDs, es necesario minimizar los procesos de

pérdida de fluorescencia causados por los defectos superficiales y por los

agregados formados por las nanopartículas dentro de las películas.


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IV.3. Estudio de adsorción de QDs, PMAO y tensioactivo

geminal con Microbalanza de Cristal de Cuarzo

Estudio de adsorción de QDs, PMAO y tensioactivo geminal con Microbalana de Cristal de Cuarzo 251 _____________________________________________________________________________________________________________________

IV.3. Estudio de adsorción de QDs, PMAO y tensioactivo geminal con Microbalanza de Cristal de Cuarzo

En el capítulo anterior se han presentado dos metodologías de

preparación de películas de nanocristales semiconductores mediante la técnica

de Langmuir-Blodgett, co-spreading y bicapa, y se ha estudiado el efecto del

estado superficial de la monocapa de Langmuir precursora de la película LB, y

de la composición superficial sobre la morfología, así como las propiedades de

las películas de QDs. Los resultados mostraron que la adición del polímero

PMAO y del tensioactivo Geminal 18-2-18 inhibe la formación de agregados

tridimensionales (3D) y que la morfología de los dominios de QDs en las

películas LB depende de forma significa de todas estas variables. Un

interesante resultado fue que las películas más homogéneas y con un menor

número de agregados son aquellas que se forman depositando los QDs sobre un

sustrato en el que previamente se ha depositado, mediante la técnica de

Langmuir-Blodgett, una película formada por moléculas del polímero PMAO o

del tensioactivo geminal 18-2-18. Un aspecto importante que no se ha

analizado hasta el momento es el efecto de la naturaleza de las moléculas

utilizadas para recubrir el substrato sobre cantidad de nanopartículas

adsorbidas por unidad de área. Por otra parte, siempre con el objetivo de poder

modular la morfología de las películas de QDs, es necesario profundizar en el

papel que juegan la cinética de adsorción de los componentes y sus

propiedades mecánicas sobre la morfología de las películas de QDs.1, 2

Una técnica que permite llevar a cabo el estudio cinético y

termodinámico de la adsorción de moléculas o nanopartículas sobre un soporte

sólido, así como el estudio de sus propiedades reológicas y estructurales es la

Microbalanza de Cristal de Cuarzo con Disipación (QCM-D)3-5. Por lo que, en

este capítulo se utilizará dicha técnica para llevar a cabo el estudio cinético y

termodinámico de la adsorción de QDs sobre las películas de PMAO y del

252 Estudio de adsorción de QDs, PMAO y tensioactivo geminal con Microbalana de Cristal de Cuarzo _____________________________________________________________________________________________________________________

tensioactivo geminal, y para determinar las propiedades reológicas de dichas

películas. Con fines comparativos se realiza el mismo tipo de estudio para

conocer las propiedades de las películas de QDs y de las películas del polímero

PMAO y del tensioactivo geminal depositadas directamente sobre el sensor

sólido, que en este caso es un sensor recubierto de SiO2.

El capítulo se divide en dos apartados, en los que se analizan las

propiedades de las películas del polímero y el tensioactivo y a continuación, en

un segundo apartado, las propiedades de las películas de QDs directamente

adsorbidos sobre el sustrato y sobre las películas del polímero PMAO y del

tensioactivo.

IV.3.1. Adsorción de PMAO y tensioactivo geminal

En este apartado se presentan los resultados experimentales de la

adsorción del polímero PMAO y del tensioactivos geminal sobre un sensor de

SiO2 obtenidos mediante las medidas realizadas con Microbalanza de Cristal de

Cuarzo con Disipación (QCM-D). Los experimentos se llevan a cabo de la

manera siguiente: para establecer la línea base se introduce en la cámara de

medida el disolvente utilizado para preparar las disoluciones, cloroformo, con

ayuda de una bomba peristáltica a la velocidad de flujo de 50 l min-1.

Posteriormente, la disolución de polímero o tensioactivo, con una

concentración comprendida entre 5x10-4 M y 1x10-2 M, se introduce en la

cámara a la misma velocidad de flujo, hasta que la cámara está completamente

llena. Entonces el flujo se detiene y los experimentos se llevan a cabo en

condiciones de parada. La temperatura en el interior de la cámara se mantiene

constante en 293 K. Los valores de f y D se recogen con el tiempo hasta

obtener un valor constante en el que se considera alcanzado el estado de

equilibrio.


0 2000 4000-10

-8

-6

-4

-2

0

0

1

2

106

D

t / s

f 3/3

) H

z

b

La Figura IV.3.1 muestra dos ejemplos representativos de los

experimentos de QCM-D llevados a cabo para la adsorción de PMAO y de

tensioactivo geminal 18-2-18 sobre la superficie del sensor, donde se registra la

variación de la frecuencia normalizada con el número de armónico (f3/3) y la

disipación (D), para el tercer armónico (15 MHz) ya que ha demostrado ser el

que ofrece el mayor valor de la relación señal-ruido.6

0 2000 4000-8

-6

-4

-2

0

0

1

2

3

t / s10

6 D

f 3/3

) H

z

a

Figura IV.3.1. Variación de la frecuencia (f3/3) y de la disipación (D) con el tiempo para la

adsorción de: (a) una capa del polímero PMAO, concentración de la disolución en la cámara

1x10-2 M, y (b) una capa del tensioactivo geminal, con una concentración de disolución de

1x10-3 M.


En las curvas representadas en la Figura IV.3.1, la primera meseta

corresponde a la línea base obtenida con cloroformo. El brusco descenso en la

frecuencia que se produce al introducir la disolución de polímero o tensioactivo

en la cámara, es debido a la adsorción de moléculas sobre la superficie del

sensor. El final de la etapa de adsorción del polímero o tensioactivo se toma

cuando f/ν alcanza un valor constante.

A la hora de analizar las propiedades reológicas de las películas es

necesario comparar los valores de f/ y D correspondientes a los diferentes

armónicos. En las Figuras IV.3.2 y IV.3.3 se presentan los valores del cambio

de frecuencia normalizada (f/y del cambio de disipación D) con los

diferentes armónicos (= 3, 5, 7, 9, 11) para las películas del polímero y del

tensioactivo, respectivamente.

0 2000 40000

1

2

-8

-6

-4

-2

0

t / s

106

D

b

=9

=5=7

=3

=11

(f/)

/ H

z

a

Figura IV.3.2 Cambios en (a) la frecuencia de resonancia normalizada y (b) en la disipación

en función del tiempo durante la adsorción del polímero PMAO (1x10-2 M) sobre el sensor para

diferentes armónicos: (negro) tercer, (magenta) quinto, (rojo) séptimo, (verde) noveno y (azul)

undécimo.


0 2000 4000

0.0

0.5

1.0

-8

-6

-4

-2

0

t / s

106

D

b

a

=11

=9

=7

=3

(f

/)

/ Hz


en función del tiempo durante la adsorción del tensioactivo geminal (1x10-3 M) sobre el sensor

para diferentes armónicos: (negro) tercer, (rojo) séptimo, (verde) noveno y (azul) undécimo.

Los resultados que aparecen representados en las Figuras IV.3.2 y

IV.3.3 muestran diferencias entre las películas del polímero PMAO y del

tensioactivo geminal. Así, se puede observar que en el caso de las películas del

tensioactivo, el desplazamiento de la frecuencia y de la disipación para todos

los armónicos converge en una misma curva. Esto significa que la película del

tensioactivo es rígida, presentando un comportamiento elástico. Por el

contrario, en el caso de las películas del polímero PMAO las curvas de

frecuencia normalizada (f/y de disipación (D) para los diferentes

armónicos no se superponen. Además, en las películas del polímero PMAO la

variación de la disipación es elevada respecto al cambio de frecuencia. Cuando

la variación de la disipación frente al cambio de frecuencia (D/f) es superior

al 5%, se considera que el material es viscoelástico.7 En las películas de PMAO

los valores D/f oscilan entre 9 y 25 %, dependiendo de la concentración


superficial del polímero y del sobretono considerado, por lo que sus películas

presentan un comportamiento viscoelástico. En estos casos, la variación de

frecuencia está relacionada con cambios en las propiedades viscoelásticas del

material junto a cambios de la masa adsorbida sobre el sólido. El modelo de

Voigt se utiliza para interpretar el comportamiento viscoelástico de estas

películas. Este modelo representa la película como un amortiguador y un

muelle conectados en paralelo en el que el amortiguador se relaciona con el

componente viscoso y el muelle con el elástico.8 La viscoelasticidad se

relaciona con un módulo complejo G* que puede expresarse como:

11 2'''* fiGiGG [IV.3.1]

En la ecuación anterior, G’ representa el módulo de almacenamiento,

independiente de la frecuencia mientras G’’, módulo de pérdidas o viscoso,

está relacionado con la energía disipada. La relación entre los valores

experimentales de f y D y los parámetros, 1 y 1, se presentaron en el

capítulo II, ecuaciones [II.11] y [II.12], respectivamente. Los resultados

experimentales se ajustaron al modelo de Voigt utilizando el software QTools

(Q-Sense). Para estimar la cantidad adsorbida, el espesor de la capa y los

parámetros viscoelástico se utilizan los parámetros del análisis que se

presentaron en el capítulo III, sección III.3.10. En la Figura IV.3.4 se muestran

los valores de G’ y G’’ obtenidos para el polímero PMAO, representados frente

a la concentración de la disolución de polímero introducida en la cámara. G’’

se calcula utilizando la ecuación [IV.3.1] con un valor de f = 5 MHz.


0.0 2.0x10-3 4.0x10-3 6.0x10-3 8.0x10-3 1.0x10-20.0

4.0x104

8.0x1040

1x106

[PMAO] / M

G

''/ P

aG

' / P

a

Figura IV.3.4. Variación de los valores del módulo de almacenamiento, G’ (círculos) y del

módulo de pérdida, G’’ (círculos rellenos), de las películas de PMAO, con la concentración de

disolución de polímero en la cámara de medida.

Los resultados en la Figura IV.3.2 muestran que los valores de G’ y G’’

para las películas de PMAO, son prácticamente independientes de la

concentración de la disolución de polímero introducida en la celda de medida

en el margen de concentración utilizado en este trabajo. Los valores promedio

de G’ y G’’ obtenidos son 0.4 MPa y 0.04 MPa, respectivamente. Puesto que el

valor obtenido para G’ es mayor que G’’ las películas se pueden considerar

predominantemente rígidas. Sin embargo, el valor de la relación G’/G’’= 10

indica que la componente viscosa no es depreciable en las películas del

polímero PMAO.7 De acuerdo con estos resultados, se utiliza el modelo de

Voigt8 para calcular la masa de polímero PMAO adsorbido sobre el sensor, ya

que este modelo tiene en cuenta la viscoelasticidad de la capa; mientras que

para determinar la masa de tensioactivo geminal adsorbida sobre el cristal se

utiliza la ecuación de Sauerbrey9, al ser esta monocapa elástica.


El comportamiento observado para las películas del polímero PMAO y

del tensioactivo geminal se puede relacionar con la estructura de las moléculas

adsorbidas y su empaquetamiento10. Un método utilizadas por algunos

autores11-15 para obtener información cualitativa de las propiedades

estructurales y reológicas de las capas adsorbidas es la representación de los

valores de D vs. f/, Figura IV.3.5. Las curvas presentadas en la figura

corresponden al tercer armónico (15 MHz) ya que ha demostrado ser el que

ofrece el mayor valor de la relación señal-ruido.6

Figura IV.3.5. Variación de la disipación con la variación de frecuencia (D vs. f/ν) para las

capas de PMAO (1x10-2 M) (círculos rellenos) y tensioactivo geminal (1x10-3 M) (círculos).

Representación esquemática de la posible orientación de las moléculas en las monocapas de

polímero y tensioactivo.

Los datos presentados en la Figura IV.3.4 muestran las dos tendencias

comentadas anteriormente. Así, el valor de la pendiente del cambio en la

disipación (D3) frente a f3/3 es mayor para las películas de PMAO que para

las de tensioactivo geminal lo que sugiere una conformación más plana para las

-8 -6 -4 -2 00

1

2

106

D

f/v) / Hz

PMAO

Geminal


moléculas de PMAO que para las de tensioactivo geminal. Por otro lado, las

películas de geminal alcanzan valores de f3/3 mayores que las de polímero, lo

que se interpreta como que se adsorbe mayor cantidad de tensioactivo que de

polímero PMAO, sugiriendo un empaquetamiento molecular mayor en las

películas de geminal que en las de polímero, ver Figura IV.3.5. Este mayor

empaquetamiento de las moléculas de tensioactivo puede ser el responsable del

comportamiento elástico encontrado en la película de tensioactivo geminal.10

Para confirmar este último aspecto se calcula el espesor de estas películas a

partir de los datos de QCM-D. En la Tabla IV.3.1 se presentan estos valores

junto con los valores de la altura del perfil obtenida a partir de las imágenes de

AFM para las películas depositadas sobre mica con la metodología Langmuir-

Blodgett, Figura IV.2.5b para el caso del PMAO y Figura IV.2.10 para el

tensioactivo. Hay que indicar que los resultados obtenidos tanto mediante las

medidas de QCM-D como de las imágenes de AFM corresponden a películas

densas de estos materiales.

Tabla IV.3.1. Espesor obtenido para las capas de PMAO y tensioactivo geminal sobre el

sensor utilizando QCM, y para las películas LB de los mismos mediante AFM.

A partir de los datos de la tabla, es posible concluir que los espesores

obtenidos por QCM-D están de acuerdo con los valores promedio de las alturas

de los perfiles determinados por AFM en las películas LB. Además, el espesor

obtenido para la monocapa de tensioactivo es próximo a la longitud de una

cadena hidrocarbonada de 18 átomos de carbono (2.4 nm)16, mientras que el

espesor resultante para la capa de PMAO es menor. Teniendo en cuenta que

Molécula que recubre el sustrato

Espesor QCM / nm

Altura de perfil AFM/ nm

PMAO 2.0 ± 1.0 1.5 ± 0.2

Geminal 2.3 ± 0.5 2.0 ± 0.5


ambas moléculas contienen cadenas hidrocarbonadas de 18 átomos de carbono,

estos resultados indican que las moléculas de tensioactivo adoptan una

configuración vertical, disponiendo sus cadenas prácticamente perpendiculares

a la superficie del sólido, mientras que las moléculas de polímero adoptan una

configuración más plana en las que sus cadenas se orientan con un ángulo

inferior respecto a la interfase.

A partir de los datos de la Figura IV.3.5, es posible obtener información

acerca del balance entre la contribución entálpica y entrópica al proceso de

adsorción.12, 17 Los altos valores del factor de disipación (D~2x10-6)

encontrados para las películas de PMAO pueden estar asociados con el hecho

de que la contribución entrópica tenga un bajo peso en el proceso de adsorción,

tal y como ha sido interpretado anteriormente por otros autores.18, 19 Por el

contrario, los menores valores de D encontrados en las películas de

tensioactivo geminal, apuntan a que la entropía es el factor que controla el

proceso de adsorción sobre el sensor. Este comportamiento se ha observado en

aquellos casos en los que las cadenas hidrocarbonadas están dispuestas

perpendiculares a la interfase y completamente extendidas hacia el líquido,

dando lugar a una elevada contribución entrópica del disolvente en el proceso

de adsorción.20 Este podría ser el caso del tensioactivo, ya que sus moléculas

están dispuestas verticalmente respecto a la superficie del sensor. Por el

contrario, la configuración más tendida sobre la interfase del sensor adoptada

por las moléculas de polímero contribuirá en menor proporción a la

componente entrópica.20

Se ha llevado a cabo el estudio de las propiedades termodinámicas y de

la cinética de adsorción de las películas de polímero y tensioactivo analizando

las curvas cinéticas del proceso de adsorción. Estas curvas se han registrado

introduciendo en la cámara disoluciones de distinta concentración en el

intervalo de 10-5 M a 10-2 M. Los valores de concentración superficial,


designada como (t), se han calculado a partir de los valores de frecuencia y

disipación obtenidos (f y D), utilizando el modelo de Sauerbrey en las

películas de tensioactivo, mientras que en el caso del polímero PMAO se

utiliza el modelo de Voigt. La Figura IV.3.6 presenta dos ejemplos

representativos de la variación de (t) con el tiempo para las moléculas de

polímero, representado como círculos rellenos, y tensioactivo, como círculos.

0 1000 2000 3000 40000.0

1.0x10-6

2.0x10-6

0.0

5.0x10-8

1.0x10-7

t

/ m

ol m

-2

t / s

t

/ m

ol m

-2

Figura IV.3.6. Curvas de adsorción representativas frente al tiempo, Г vs. t, para el polímero

PMAO (círculos rellenos) y para el tensioactivo geminal (círculos). La concentración de las

disoluciones de polímero y tensioactivo es 1x10-3 M.

La concentración de equilibrio superficial, , para cada una de las

concentraciones estudiadas se ha obtenido del estado estacionario de las curvas

de adsorción. La Figura IV.3.7 muestra la variación de la concentración

superficial de equilibrio, , con la concentración de polímero o de tensioactivo

introducida en la cámara de medida. Como se observa en la Figura IV.3.7 la

concentración superficial de equilibrio aumenta a medida que se incrementa la

concentración de la disolución en la cámara, hasta que alcanza un valor


0.0 5.0x10-4 1.0x10-3 1.5x10-3

0.0

1.0x10-6

2.0x10-6

b

max

[Geminal] / M

/ m

ol m

-2

constante. Este valor se ha designado como la máxima concentración de

polímero o tensioactivo adsorbido en el sensor, max.

0.0 5.0x10-3 1.0x10-2

0.0

5.0x10-8

1.0x10-7

max

[PMAO] / M

/ m

ol m

-2

a

Figura IV.3.7. Isotermas de adsorción de: (a) PMAO y (b) tensioactivo geminal sobre el

sensor. Las líneas representan los valores calculados a partir de la ecuación IV.3.2 y los

parámetros presentados en la Tabla IV.3.2

A partir de la morfología de las curvas es posible suponer que la

adsorción del PMAO y del tensioactivo geminal sobre el sensor puede ser


interpretada a partir del modelo de adsorción de Langmuir. Para confirmar este

hecho los valores experimentales se han ajustado a la ecuación de Langmuir:

CK

CK

L

L

1

max [IV.3.2]

En la ecuación KL representa la constante de equilibrio de Langmuir, C

la concentración de la disolución introducida en la cámara de medida y max la

concentración superficial máxima de PMAO o de tensioactivo geminal

adsorbida sobre el sensor. Las líneas en la Figura IV.3.7 representan los valores

de calculados con la ecuación IV.3.2 y los parámetros obtenidos al ajustar los

resultados experimentales a la ecuación, que se encuentran recogidos en la

Tabla IV.3.2. La coincidencia entre los datos experimentales y los calculados a

partir de la ecuación IV.3.2 indica que el modelo de Langmuir interpreta

adecuadamente la adsorción de estas moléculas sobre el sensor.

Tabla IV.3.2. Valores de KL y Гmax obtenidos del ajuste de los datos experimentales de

adsorción de PMAO y del tensioactivo geminal a la ecuación del modelo de Langmuir.

Los datos de la Tabla IV.3.2 permiten concluir que la constante de

equilibrio de Langmuir es mayor para el tensioactivo geminal que para el

polímero PMAO. Puesto que KL se define como el cociente entre: d

aL k

kK

,donde ka y kd representan las constantes de velocidad de los procesos de

adsorción y de desorción respectivamente, los valores de KL obtenidos indican

que el balance entre los procesos de adsorción y desorción es más favorable a

Molécula que recubre el sustrato

KL/(mol L)-1 Гmax / mol m-2

PMAO (6 ± 0.5) x 103 1.1 x 10-7

Geminal (20 ± 0.5) x 103 21 x 10-7


la adsorción del tensioactivo geminal que a la del polímero PMAO, lo que

concuerda con el hecho de que el valor máximo de concentración de

tensioactivo adsorbido sobre el sensor (max) sea unas veinte veces mayor que

la cantidad máxima de polímero adsorbida.

El estudio cinético de las curvas de adsorción del polímero y del

tensioactivo geminal, indica que no siguen una ley exponencial, ver Figura

IV.3.8, sino que pueden ser interpretadas como la suma de dos funciones

exponenciales según la ecuación:21

2211 /exp/exp)( tAtAt [IV.3.3]

Donde t es la concentración superficial a un tiempo t, es la

concentración superficial de equilibrio, A1 y A2 son las amplitudes y τ1 y τ2 son

los tiempos característicos de los dos procesos cinéticos. Los resultados

cinéticos apuntan hacia un proceso bimodal para interpretar la adsorción de

estas moléculas,22, 23 en concordancia con resultados obtenidos por otros

autores para la adsorción de polímeros.1, 24, 25


0 500 1000-6

-4

-2

0

ln

(

t

ng c

m

t / s

Figura IV.3.8. Ejemplo representativo de la curva de adsorción del PMAO 1x10-2 M,

interpretado de acuerdo a la ecuación IV.3.3. En la figura se insertan dos esquemas que ayudan

a visualizar los procesos involucrados en el proceso global de adsorción.

En la Figura IV.3.9 se representa la variación de los tiempos

característico de los dos procesos, τ1 y τ2, con la concentración de polímero (a)

o de tensioactivo (b). Es interesante destacar que los tiempos son prácticamente

independientes de la concentración de polímero o de tensioactivo. El valor

promedio para el tiempo τ1 en las curvas de adsorción del PMAO es de (63 ±

28) s y para el tensioactivo geminal de (173 ± 50) s, resultando valores del

mismo orden de magnitud que los tiempos de adsorción encontrados en

bibliografía para otros polímeros,24-26 por lo que se adscribe este tiempo al

proceso rápido de adsorción de las moléculas de polímero o de tensioactivo en

la superficie del sensor. El proceso más lento presenta un tiempo característico,

τ2, de (1415 ± 240) s para el polímero PMAO y de (3180 ± 640) s para el

tensioactivo geminal. Estos valores son similares a aquellos que se atribuyen a

movimientos de segmentos de moléculas de polímero adsorbidos en la

interfase.27, 28


0.0 3.0x10-4 6.0x10-4 9.0x10-4 1.2x10-30

2000

4000

60000

100

200

300

s

[Geminal] / M

b

s

0.0 2.0x10-3 4.0x10-3 6.0x10-3 8.0x10-3 1.0x10-20

2000

4000

60000

100

200

[PMAO] / M

sa

s

Figura IV.3.9. Variación del tiempo de adsorción, τ1, y de reorganización, τ2 con la

concentración del polímero PMAO (a) y del tensioactivo geminal (b).

De acuerdo con estos resultados, la adsorción del polímero PMAO y del

tensioactivo geminal parece llevarse cabo en dos pasos: en el primero, se

produce una rápida adsorción de las moléculas en la superficie del sensor. Este

proceso es más rápido para las moléculas del polímero que para las de

tensioactivo. A continuación, se produce una reorganización interna de las

moléculas adsorbidas sobre el sensor. Este proceso es también más rápido en el

caso de las moléculas del polímero. Este comportamiento podría interpretarse

considerando que el mayor empaquetamiento de las moléculas de tensioactivo

en la interfase produce un mayor impedimento al movimiento de sus cadenas y


en consecuencia el tiempo de reorganización es mayor que en el caso del

polímero, que al estar menos empaquetado estará menos impedido para

moverse una vez que se encuentra adsorbido en el sensor.

IV.3.2. Adsorción de QDs sobre películas de PMAO y de tensioactivo geminal

Una vez analizada la estructura y las propiedades de las capas de

PMAO y tensioactivo geminal, se lleva a cabo el estudio cinético y

termodinámico del proceso de adsorción de los QDs sobre dichas películas y la

determinación de las propiedades reológicas de las películas. Para conocer el

efecto de las películas de polímero o de tensioactivo sobre las monocapas de

QDs, se estudia también la adsorción de los QDs directamente sobre el sensor.

En la Figura IV.3.10 se presenta, a modo de ejemplo, la variación de

f/ y D con el tiempo durante la adsorción de QDs sobre el sensor para una

disolución de QDs en cloroformo de concentración 3.4 x 10-6 M. Se observan

resultados similares para el resto de las disoluciones empleadas en este estudio.

Como ocurría en el caso de las películas de tensioactivo geminal, las curvas de

f/ y D coinciden para todos los armónicos. Esto significa que las películas

de QDs son rígidas y presentan un comportamiento elástico.


0 2000 4000

0.0

0.5

1.0-10

-8

-6

-4

-2

0

t / s

106

D

b

=11=9=7

=3=5

(f/)

/ H

z

a

Figura IV.3.10. Cambios en (a) la frecuencia de resonancia normalizada y (b) en la disipación

en función del tiempo durante la adsorción de QDs (3.4 x 10-6 M) sobre el sensor para

diferentes armónicos: (negro) tercer, (magenta) quinto, (rojo) séptimo, (verde) noveno y (azul)

undécimo.

A continuación se muestran los valores de la variación de frecuencia

normalizada (f/ y de la disipación frente al tiempo durante la adsorción de

QDs sobre las películas del polímero PMAO y del tensioactivo geminal. Para

construir la primera capa de polímero o de tensioactivo adsorbidos sobre el

sensor, se escogieron disoluciones con una concentración tal que el sensor se

encuentre saturado con las moléculas de estos materiales. Concretamente se

utilizan disoluciones de concentración de 1 x 10-2 M para el PMAO y 1 x 10-3

M para el tensioactivo geminal, ver Figura IV.3.7.

Los resultados de dos experimentos representativos se muestran en las

Figuras IV.3.11 y IV.3.12. Para interpretar estas curvas es necesario tener en

cuenta que la primera meseta corresponde a la línea base realizada con el

disolvente cloroformo, a continuación, la disminución de la frecuencia con el


tiempo corresponde a la adsorción del polímero o del tensioactivo. Una vez

alcanzada la segunda meseta en la que se considera que se ha alcanzado la

situación de equilibrio para la adsorción de PMAO o del tensioactivo, se

introduce la disolución de QDs observándose una segunda disminución de f/

hasta alcanzar un valor constante de los valores de f/ y D, momento en el

que se ha alcanzado el equilibrio del proceso de adsorción de los QDs.

0 2000 4000 6000 8000

0

1

2

-15

-10

-5

0

t / s

106

D

PMAO

QDs

b

=11

=9

=7

=5

(f/)

/ H

z

=3b

a

a


en función del tiempo durante la adsorción de QDs (1.5 x 10-6 M) sobre la película de polímero

PMAO para diferentes armónicos: (negro) tercer, (magenta) quinto, (rojo) séptimo, (verde)

noveno y (azul) undécimo.

En la Figura IV.3.11 se muestran los valores de f/ y D

correspondientes a la adsorción de QDs sobre una película de polímero. En la

figura se puede observar de forma clara que al introducir la disolución de QDs

en la cámara, después de la adsorción de PMAO, se produce un descenso

significativo de D, a medida que disminuyef/y por tanto se adsorben QDs


sobre el polímero. En una primera aproximación se puede considerar que la

adsorción de las nanopartículas en la película viscoelástica de PMAO modifica

la estructura de la monocapa de polímero de forma que se vuelve más rígida

descendiendo el valor de D. Para confirmar esta hipótesis, se calcula el valor

de la relación D/f correspondiente a películas de QDs obtenidas a distintas

concentraciones de QDs en la celda, y depositadas sobre la película de PMAO.

Los valores de D/f correspondientes a los armónicos 5 y 11 aparecen

recogidos en la Tabla IV.3.3 y muestran que cuando la cantidad de QDs

adsorbida sobre el polímero es muy pequeña la bicapa mantiene un cierto

comportamiento viscoelástico característico de una monocapa de PMAO con

valores de D/f superiores al 5%. En cualquier caso, el valor D/f es

inferior al de la película de PMAO preparada con la misma concentración de

polímero, 1 x 10-2 M sin QDs (D/f ~25%). Al aumentar la concentración de

disolución de QDs introducida en la cámara por encima de 1 x 10-6 M, la

monocapa de QDs se comporta de manera elástica ya que los valores D/f

son inferiores a 5%.7

Tabla IV.3.3 Valores de D/f para la adsorción de QDs a distintas

concentraciones sobre la película del polímero PMAO.

[QDs]/ M D5/f5 (%) D11/f11 (%)

2.0 x 10-7 7.0 8.6 2.6 x 10-7 5.3 7.1 3.7 x 10-7 5.2 9.1 5.0 x 10-7 5.0 4.5 1.0 x 10-6 3.0 2.5 1.5 x 10-6 0.1 0.1 2.0 x 10-6 1.1 1.1 3.0 x 10-6 2.7 1.7 5.0 x 10-6 3.0 2.7


De acuerdo a estos resultados, la adsorción de QDs sobre una película

de polímero PMAO aumenta la rigidez de la monocapa de polímero de forma

que, en ausencia de QDs, la película de polímero presenta un comportamiento

viscoelástico mientras que al adsorber sobre ella las nanopartículas de QDs el

sistema se vuelve elástico. Las interacciones atractivas entre las cadenas del

polímero y del estabilizante que rodea los QDs podrían ser responsables del

aumento de la rigidez de la película del polímero PMAO.

0 2000 4000 6000 80000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

-30

-20

-10

0

b

=11

=9=7=5

(f/)

/ H

z

t / s

106

D

a

QDs

Geminal


en función del tiempo durante la adsorción de QDs (5 x 10-6 M) sobre la película de

tensioactivo geminal para diferentes armónicos: (magenta) quinto, (rojo) séptimo, (verde)

noveno y (azul) undécimo.

En el caso de la adsorción de QDs sobre la película del tensioactivo

geminal, los valores de f/yD se superponen para todos los armónicos

dentro del error experimental, como se observa en la Figura IV.3.12. Además,

el valor de D/f para los diferentes armónicos es inferior al 5% en todos los

casos, y por tanto la película de QDs adsorbida sobre el tensioactivo geminal

muestra la tendencia característica de un sistema rígido.


Como en el caso de las películas de PMAO y del tensioactivo geminal,

se lleva a cabo el estudio termodinámico y cinético del proceso de adsorción de

los QDs sobre las películas de PMAO y tensioactivo geminal, y se comparan

los resultados con los correspondientes a la adsorción de las nanopartículas

directamente sobre el sensor. En la Figura IV.3.13 se representa la variación de

la concentración superficial de QDs con la concentración de las nanopartículas

introducida en la cámara de medida. Puesto que las películas de QDs son

rígidas, para obtener los valores de la concentración superficial de QDs se

utilizaran los valores de la variación de la frecuencia de los distintos armónicos

y la ecuación de Sauerbrey. Los valores de la concentración superficial de QDs

representados en la Figura IV.3.13 se expresan en términos de masa por unidad

de área, ya que no es posible conocer el peso molecular de las nanopartículas.

Por el contrario, sí es posible expresar la concentración de la disolución de

QDs en cloroformo en unidades de molaridad ya que la concentración se

determina a partir de su espectro de adsorción UV-Visible y con el valor del

coeficiente de extinción encontrado en la bibliografía para este tipo de

nanopartículas29, pueden consultarse los detalles en el capítulo III dedicado a

las técnicas y condiciones experimentales.


0 2x10-6 4x10-6 6x10-6 8x10-6

0

100

200

[QDs] / M

/ ng

cm-2

Figura IV.3.13 Datos de equilibrio de cantidad adsorbida frente a concentración para QDs

sobre PMAO (círculos rellenos), tensioactivo geminal (círculos) y sobre el sensor de SiO2

(triángulos). La línea representa el ajuste de los datos a la isoterma de Langmuir, ecuación

IV.3.1, con los parámetros de la Tabla IV.3.3.

Los resultados en la Figura IV.3.13 muestran que el recubrimiento de

QDs se incrementa significativamente cuando las nanopartículas están

adsorbidas sobre una capa de polímero PMAO o de tensioactivo, obteniéndose

un valor para el recubrimiento máximo similar en los dos casos ~ 200 ng cm-2.

Este valor es superior al recubrimiento máximo obtenido cuando los QDs están

directamente adsorbidos sobre el sensor, ~100 ng cm-2. La isoterma de

adsorción de los QDs sobre cualquiera de las tres superficies, SiO2, PMAO, o

tensioactivo geminal se ajusta al modelo de adsorción de Langmuir. Las líneas

en la Figura IV.3.13 representan la concentración superficial de equilibrio,

calculada a partir de la ecuación de Langmuir, ecuación IV.3.2, y los

parámetros obtenidos para los mejores ajustes, que se recogen en la Tabla

IV.3.4. Como se observa en la Figura IV.3.13, los valores calculados a partir

del ajuste de los datos a la ecuación de Langmuir concuerdan aceptablemente

con los datos experimentales, por lo que como ya ocurría en el caso de la


adsorción de PMAO y del tensioactivo geminal, el modelo de Langmuir puede

interpretar aceptablemente la adsorción de los QDs sobre el sensor recubiertos

por estos materiales.

Comparando los parámetros obtenidos para la adsorción de QDs sobre

los diferentes sustratos, recogidos en la Tabla IV.3.4, se puede concluir que los

valores de KL y max prácticamente se duplican cuando los QDs están

adsorbidos sobre las monocapas de PMAO o de tensioactivo geminal, en

relación a los valores obtenidos para la adsorción de QDs sobre el sensor. Sin

embargo, se observa que KL y max no dependen significativamente de la

naturaleza de la molécula que recubre el sustrato, polímero o tensioactivo,

obteniéndose valores de max muy parecidos para ambos tipos de moléculas.

Tabla IV.3.4. Valores de KL y Гmax obtenidos para el ajuste a la ecuación de Langmuir de los

datos de adsorción de QDs sobre el sensor, la capa de PMAO y la capa de tensioactivo

geminal. El parámetro representa el recubrimiento de QDs por unidad de cadena

hidrocarbonada adsorbida en el sensor.

Para comparar la capacidad de adsorción de QDs del PMAO y del

tensioactivo geminal, se ha calculado el recubrimiento de QDs por unidad de

cadena hidrocarbonada de la molécula que recubre el sensor, referida como .

Este parámetro se obtiene como la relación entre la concentración superficial

máxima de QDs adsorbida y la concentración superficial de polímero o de

Recubrimiento del sustrato

KL/(mol L)-1

Гmax / ng cm-2 / g mol-1

de cadena

SiO2 (1.3 ± 0.2) x 106 115 ± 5 -

PMAO (3.6 ± 0.6) x 106 200 ± 10 160 ± 10

Geminal (2.0 ± 0.6) x 106 190 ± 15 450 ± 15


tensioactivo adsorbidos en la capa que recubre el sensor. Esta última, se

expresa en términos de cadenas hidrocarbonadas bien de polímero o

tensioactivo, teniendo en cuenta que el polímero contiene 114 cadenas

hidrocarbonadas por molécula y el tensioactivo geminal posee dos cadenas

hidrocarbonadas por molécula.

Los valores de recogidos en la Tabla IV.3.3 muestran que el

recubrimiento de QDs por unidad de cadena hidrocarbonada es prácticamente

tres veces mayor para el tensioactivo geminal que para el polímero PMAO.

Este comportamiento puede justificarse si se recurre a la diferencia entre la

estructura que presentan las monocapas de PMAO y de tensioactivo detectada

a partir de los valores de las propiedades reológicas de las películas y del

espesor de las monocapas. De acuerdo con estos resultados, el tensioactivo

geminal se encuentra dispuesto perpendicularmente a la superficie del sensor,

mientras que el polímero PMAO permanece en conformación plana sobre el

mismo. Cabe inferir por tanto, que la configuración perpendicular del

tensioactivo favorece el contacto entre las cadenas hidrocarbonadas del

estabilizante de los QDs y las moléculas que recubren el sensor, resultando un

mayor recubrimiento de nanopartículas por unidad de cadena hidrocarbonada

en el tensioactivo que en el caso del polímero, que al estar tendido sobre la

interfase tendrá sus cadenas menos accesibles al estabilizante de las

nanopartículas, TOPO, disminuyendo así en recubrimiento.

El análisis cinético de la adsorción de los QDs, se ha llevado a cabo

sobre las curvas de adsorción correspondientes a concentraciones superiores a

2 x 10-6 M, lo que garantiza que la cantidad de QDs adsorbida es suficiente

para un estudio apropiado de la dinámica de adsorción de las nanopartículas.

La cinética del proceso se ha analizado utilizando el modelo cinético bimodal

correspondiente a la ecuación IV.3.2, consistente en la suma de dos funciones

exponenciales con tiempos τ1 y τ2. Los valores obtenidos para los tiempos, τ1 y


τ2, característicos de los dos procesos se presentan en la Figura IV.3.14, para la

adsorción de QDs sobre el sensor de SiO2, el tensioactivo geminal y el

polímero PMAO. Como se aprecia en la figura, los valores de τ1 y τ2 son

prácticamente independientes de la naturaleza de la molécula que recubre el

sustrato y de la concentración de la disolución de QDs introducida en la

cámara. Asimismo, los tiempos τ1 y τ2 presentan valores similares para los QDs

adsorbidos sobre la capa de polímero, tensioactivo y para la adsorción de QDs

directamente sobre el sensor, lo que parece señalar que la cinética de adsorción

está dirigida por los QDs y no depende de la superficie del sustrato. Los

valores promedio calculados son (70 ± 40) s para τ1 y (2500 ± 570) s para τ2.

De acuerdo con la magnitud de los valores de τ1 y τ2, el proceso más rápido se

adscribe a la adsorción de las nanopartículas, mientras que el más lento se

asigna a movimientos de reorganización de las mismas.24, 27, 28, 30

2x10-6 4x10-6 6x10-6 8x10-60

2000

4000

60000

100

200

[QDs] / M

s

s

Figura IV.3.14. Tiempos de adsorción, τ1, y reorganización, τ2, a diferentes concentraciones de

la disolución de QDs, para la adsorción de QDs sobre PMAO (círculos), tensioactivo geminal

(círculos rellenos) y sobre el sensor (triángulos).



En este capítulo se ha estudiado el efecto que producen las propiedades

reológicas, estructurales y la cinética de adsorción de las moléculas de PMAO

y tensioactivo geminal que recubren el sustrato, sobre las películas de QDs.

Los resultados muestran que las películas de tensioactivo presentan un elevado

empaquetamiento de sus moléculas y un espesor próximo a la longitud de su

cadena hidrocarbonada; esta configuración da lugar a un comportamiento

elástico, y una cantidad adsorbida por unidad de área mayor que la alcanzada

por el polímero. Las películas de polímero PMAO forma una monocapa

viscoelástica con un espesor menor que la longitud de su cadena

hidrocarbonada, lo que indica que sus moléculas permanecen tumbadas en la

interfase obteniendo una cantidad adsorbida por unidad de área inferior a la

obtenida para el tensioactivo. El proceso de adsorción de estas moléculas es

bimodal presentando un primer paso en el que las moléculas se adsorben sobre

la superficie del sensor, seguido de un proceso más lento atribuido a la

reorganización de las moléculas adsorbidas. El tiempo característico de los dos

procesos es más lento en las moléculas del tensioactivo. Este comportamiento

se debe probablemente a que sus moléculas están más empaquetadas que las

del polímero por lo que sus movimientos están más impedidos.

La cantidad de QDs adsorbidos sobre el sensor aumenta de forma

significativa cuando se utiliza el polímero o el tensioactivo para recubrir el

sensor de SiO2. Además la cantidad de QDs adsorbida por unidad de cadena

hidrocarbonada es mayor cuando se utiliza el tensioactivo para recubrir el

sensor. Este comportamiento se atribuye a la conformación de las moléculas

del tensioactivo adsorbidas en la interfase. Estas moléculas se encuentran

prácticamente perpendiculares a la interfase favoreciendo así el contacto entre

las dos capas, tensioactivo y QDs, a través de las cadenas hidrocarbonadas del

tensioactivo y del estabilizante de los QDs, TOPO. Este contacto aumenta las


atracciones entre el tensioactivo y las nanopartículas aumentando el

recubrimiento del sólido.

Por otro lado, las capas de QDs adsorbidas sobre el polímero, el

tensioactivo o sobre el sensor sin recubrir presentan un comportamiento

elástico, y similar para las tres películas, de lo que se deduce que las

propiedades reológicas vienen gobernadas por las nanopartículas de QDs. Un

comportamiento similar se observó respecto al proceso cinético de adsorción.

La adsorción de QDs se produce en dos etapas, adsorción de las nanopartículas

y posterior reorganización. El tiempo característico de los dos procesos no

depende del recubrimiento del sensor y coincide con el valor correspondiente a

la adsorción de QDs directamente sobre el sensor.

Por último, nuestros estos resultados ponen de manifiesto la

importancia de las medidas llevadas a cabo mediante la Microbalanza de

Cristal de Cuarzo con Disipación para estudiar distintos factores que deben ser

tenidos en cuenta a la hora de estudiar la adsorción de nanopartículas y

aumentar el recubrimiento sobre sólidos.


1. Guzmán, E.; Ortega, F.; Baghdadli, N.; Luengo, G. S.; Rubio, R. G., Effect of the molecular structure on the adsorption of conditioning polyelectrolytes on solid substrates. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2011, 375, 209-218. 2. Shen, Y.-J.; Lee, Y.-L.; Yang, Y.-M., Monolayer Behavior and Langmuir-Blodgett Manipulation of CdS Quantum Dots. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 9556-9564. 3. Gole, A.; Jana, N. R.; Selvan, S. T.; Ying, J. Y., Langmuir-Blodgett Thin Films of Quantum Dots: Synthesis, Surface Modification, and Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) Studies. Langmuir 2008, 24, 8181-8186. 4. Park, J. J.; Lacerda, S. H. D. P.; Stanley, S. K.; Vogel, B. M.; Kim, S.; Douglas, J. F.; Raghavan, D.; Karim, A., Langmuir Adsorption Study of the


Interaction of CdSe/ZnS Quantum Dots with Model Substrates: Influence of Substrate Surface Chemistry and pH. Langmuir 2009, 25, 443-450. 5. Alcantara, G. B.; Paterno, L. G.; Afonso, A. S.; Faria, R. C.; Pereira-da-Silva, M. A.; Morais, P. C.; Soler, M. A. G., Adsorption of cobalt ferrite nanoparticles within layer-by-layer films: a kinetic study carried out using quartz crystal microbalance. Physical Chemistry Chemical Physics 2011, 13, 21233-21242. 6. Irwin, E. F.; Ho, J. E.; Kane, S. R.; Healy, K. E., Analysis of Interpenetrating Polymer Networks via Quartz Crystal Microbalance with Dissipation Monitoring. Langmuir 2005, 21, 5529-5536. 7. Benedetti, T. M.; Torresi, R. M., Rheological Changes and Kinetics of Water Uptake by Poly(ionic liquid)-Based Thin Films. Langmuir 2013, 29, 15589-15595. 8. Voinova, M. V.; Rodahl, M.; Jonson, M.; Kasemo, B., Viscoelastic Acoustic Response of Layered Polymer Films at Fluid-Solid Interfaces: Continuum Mechanics Approach. Physica Scripta 1999, 59, 391. 9. Sauerbrey, G., Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung. Z. Physik 1959, 155, 206-222. 10. Nejadnik, M. R.; Olsson, A. L. J.; Sharma, P. K.; van der Mei, H. C.; Norde, W.; Busscher, H. J., Adsorption of Pluronic F-127 on Surfaces with Different Hydrophobicities Probed by Quartz Crystal Microbalance with Dissipation. Langmuir 2009, 25, 6245-6249. 11. Guzman, E.; Ortega, F.; Prolongo, M. G.; Starov, V. M.; Rubio, R. G., Influence of the molecular architecture on the adsorption onto solid surfaces: comb-like polymers. Physical Chemistry Chemical Physics 2011, 13, 16416-16423. 12. Höök, F.; Rodahl, M.; Brzezinski, P.; Kasemo, B., Energy Dissipation Kinetics for Protein and Antibody−Antigen Adsorption under Shear Oscillation on a Quartz Crystal Microbalance. Langmuir 1998, 14, 729-734. 13. Höök, F.; Rodahl, M.; Brzezinski, P.; Kasemo, B., Measurements Using the Quartz Crystal Microbalance Technique of Ferritin Monolayers on Methyl-Thiolated Gold: Dependence of Energy Dissipation and Saturation Coverage on Salt Concentration. Journal of Colloid and Interface Science 1998, 208, 63-67. 14. Nguyen, T. H.; Elimelech, M., Plasmid DNA Adsorption on Silica: Kinetics and Conformational Changes in Monovalent and Divalent Salts. Biomacromolecules 2007, 8, 24-32. 15. Dutta, A. K.; Nayak, A.; Belfort, G., Reversibly Controlling the Rigidity of Adsorbed Polycations. Macromolecules 2008, 41, 301-304. 16. Holmberg, K.; Jönsson, B.; Kronberg, B.; Lindman, B., Surfactants and Polymers in aqueous solution. 2nd ed.; Wiley2003. 17. Gurdak, E.; Dupont-Gillain, C. C.; Booth, J.; Roberts, C. J.; Rouxhet, P. G., Resolution of the Vertical and Horizontal Heterogeneity of Adsorbed


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30. Guzmán, E.; Ritacco, H. A.; Ortega, F.; Rubio, R. G., Growth of Polyelectrolyte Layers Formed by Poly(4-styrenesulfonate sodium salt) and Two Different Polycations: New Insights from Study of Adsorption Kinetics. The Journal of Physical Chemistry C 2012, 116, 15474-15483.

Conclusiones 285 _____________________________________________________________________________________________________________________

V. Conclusiones

En este capítulo se presentan las principales conclusiones obtenidas a

partir de los resultados expuestos, siguiendo un orden paralelo al del capítulo

de resultados. En primer lugar se han estudiado las propiedades de equilibro

de las monocapas de Langmuir del tensioactivo geminal 18-2-18, y de las

monocapas mixtas polímero PMAO/tensioactivo geminal, siempre con la

mirada puesta en caracterizar los sistemas que van a servir para preparar

películas delgadas de QDs de CdSe y para controlar su autoensamblaje. El

segundo bloque se dedica a la preparación y caracterización de películas de

QDs mediante dos metodologías de deposición: co-spreading, preparando

monocapas de Langmuir mixtas a partir de mezclas de QDs con el polímero

PMAO, el tensioactivo o con mezclas polímero/tensioactivo, y la metodología

de bicapa que consiste en transferir los QDs sobre películas de polímero

PMAO, de tensioactivo geminal, o sobre mezclas de ambos. Una vez

caracterizada la morfología de las distintas películas se estudiaron sus

propiedades de fotoluminiscencia con el objetivo de estudiar cómo afecta la

morfología de las películas de QDs en sus propiedades fotoquímicas.

Finalmente, se presentan las conclusiones obtenidas del estudio reológico,

cinético y termodinámico de la adsorción de QDs, tensioactivo geminal y

polímero PMAO mediante Microbalanza de Cristal de Cuarzo (QCM) con la

intención de determinar el papel que juega la capa de polímero y tensioactivo

que recubre el sustrato sobre la adsorción de los QDs y en las propiedades de

sus películas.

En el apartado dedicado al estudio de las propiedades de equilibrio de

las monocapas del tensioactivo geminal 18-2-18, y de las monocapas formadas

por mezclas de este con el polímero PMAO, se ha comprobado que el

tensioactivo geminal forma monocapas estables tanto sobre subfases acuosas

como salinas. Como era de esperar, las monocapas de tensioactivo geminal

286 Conclusiones _____________________________________________________________________________________________________________________

obtenidas sobre subfases salinas son más comprimidas que las obtenidas sobre

subfase acuosa. Se ha comprobado que la presencia de aniones en la subfase

acuosa influye en las características superficiales de la monocapa siguiendo la

serie Hofmeister, salvo por una alteración en el orden entre los aniones

bromuro y nitrato. El efecto de los contraiones presentes en la subfase puede

resumirse diciendo que los contraiones de mayor tamaño dan lugar a

monocapas más comprimidas.

Estos resultados se han observado en las isotermas de presión

superficial-área así como en las imágenes de AFM de las monocapas

transferidas a mica mediante metodología LB. Dichas imágenes demuestran

que en presencia de sales que apantallan eficazmente la carga del grupo

catiónico del tensioactivo, las moléculas de tensioactivo se orientan

perpendicularmente a la interfase. Por último, en ninguna de las situaciones

estudiadas se observó la formación de agregados micelares en la interfase.

Una vez obtenidas las características de las monocapas de Langmuir

formadas por el tensioactivo geminal o por mezclas del tensioactivo con el

polímero PMAO, el estudio se orientó hacia las propiedades de películas

Langmuir-Blodgett de QDs y sistemas autoensamblados de polímero PMAO,

tensioactivo geminal o mezclas de ambos sistemas. Los resultados

experimentales obtenidos en este bloque demuestran que cuando se utiliza el

polímero PMAO o el tensioactivo geminal como matrices para dirigir el

proceso de autoensamblaje, se evita la aglomeración de los QDs. El carácter

anfifílico de las matrices facilita por un lado la adsorción de los QDs a través

de la interacción entre el estabilizante TOPO y la cadena hidrocarbonada de las

matrices, y mediante el grupo hidrófilo se promueve la adsorción de la matriz

con el sustrato. Se favorece de este modo la deposición de los QDs evitando la

aglomeración de las nanopartículas.

Conclusiones 287 _____________________________________________________________________________________________________________________

Una de las principales conclusiones de este capítulo se refiere a los

mecanismos de dewetting de las películas formadas por QDs, que dan lugar a

películas con diferente morfología. Se ha observado que en matrices de PMAO

predomina el mecanismo de nucleación y crecimiento de agujeros dando lugar

a estructuras tipo mosaico, mientras que en matrices de tensioactivo geminal el

mecanismo de dewetting es de tipo espinodal y da lugar a películas con

estructuras en forma de agregados de gotas. Cuando se utilizan matrices mixtas

PMAO/Geminal, se aprecian ambos tipos de estructuras; sin embargo

predomina la morfología característica de la ruta de dewetting del polímero,

incluso en películas preparadas con baja concentración del mismo. Estos

resultados muestran que es posible modular el autoensamblaje de los QDs

modificando la composición de las películas LB mediante la adición del

polímero PMAO o el tensioactivo geminal 18-2-18. Esta metodología bottom-

up puede considerarse como una buena estrategia para modelar la estructura de

las películas a nanoescala.

Los resultados obtenidos para la deposición de películas de QDs sobre

películas LB de PMAO y tensioactivo geminal demuestran que la morfología

de la película de QDs depende de las interacciones interfaciales entre las

nanopartículas y las moléculas que recubren el sólido. Las diferentes

morfologías de las películas de QDs se relacionan con la capacidad de mojado

y con la morfología de la película utilizada para recubrir el sustrato. El

tensioactivo muestra la mejor capacidad de mojado, puesto que su película está

constituida por moléculas fuertemente empaquetadas dando lugar a una

película prácticamente continua de QDs. Cuando la película de QDs se

deposita sobre PMAO, la deposición es menos efectiva que en el caso del

tensioactivo debido a que el coeficiente de mojado entre las dos interfaces es

menor y a la presencia de agujeros en la película de PMAO. Estos resultados

demuestran que es posible modular el autoensamblaje de los QDs sobre sólidos

288 Conclusiones _____________________________________________________________________________________________________________________

modificando la naturaleza de las moléculas que recubren el sustrato.

El estudio de los procesos cinéticos de fotoluminiscencia de las

películas de QDs transferidas sobre el sólido recubierto con diferentes

moléculas orgánicas, el polímero PMAO, el tensioactivo DODAB, el

tensioactivo geminal 18-2-18 y el silano OTS muestra que las películas más

homogéneas y uniformes se obtienen depositando los QDs sobre el tensioactivo

geminal. Las curvas de decaimiento de fluorescencia se analizan mediante un

modelo que interpreta aceptablemente los resultados experimentales obtenidos,

tanto en las películas de QDs depositadas directamente sobre el sólido como en

las depositadas sobre un película LB del tensioactivo geminal. El modelo

considera los decaimientos de emisión fluorescencia debidos a la emisión

desde los estados excitónicos del núcleo de las nanopartículas, en función de

dos procesos que compiten con la emisión de fluorescencia. Estos dos procesos

son la recombinación de estados que poseen cargas atrapadas en la superficie y

la transferencia de energía entre QDs. El peso relativo de estos dos procesos

puede relacionarse con la morfología de las películas de QDs. Por último, a la

vista de estos resultados, es posible concluir que para aumentar la intensidad de

emisión de las películas de QDs, es necesario minimizar los procesos de

pérdida de fluorescencia causados por los defectos superficiales y por los

agregados formados por las nanopartículas dentro de las películas.

Con el objetivo de obtener más información de las propiedades de las

películas de QDs y de cómo influye el recubrimiento del sustrato con polímero

PMAO y tensioactivo geminal sobre el autoensamblaje de los QDs se lleva a

cabo un estudio con Microbalanza de Cristal de Cuarzo con Disipación (QCM-

D) de las propiedades reológicas, estructurales, de la cantidad adsorbida y

la cinética de adsorción de las moléculas de PMAO y tensioactivo geminal que

recubren el sustrato, y de la adsorción de QDs sobre ellas. Los resultados de

QCM-D, demuestran, en concordancia con los resultados obtenidos por otras

Conclusiones 289 _____________________________________________________________________________________________________________________

técnicas de caracterización realizadas en esta investigación, que las películas de

tensioactivo geminal presentan un elevado empaquetamiento de sus moléculas

y un espesor próximo a la longitud de su cadena hidrocarbonada; lo que le

confiere un comportamiento elástico, y una cantidad adsorbida por unidad de

área superior a la alcanzada por el polímero. Las películas de polímero PMAO

por el contrario, forman una monocapa viscoelástica con un espesor menor que

la longitud de su cadena hidrocarbonada, lo que indica que sus moléculas

permanecen tumbadas en la interfase resultando una cantidad adsorbida por

unidad de área inferior a la obtenida para el tensioactivo.

El proceso de cinético de adsorción de las moléculas de PMAO y de

tensioactivo sobre el sensor es bimodal presentando un primer proceso en el

que las moléculas se adsorben sobre la superficie del sensor, seguido de un

proceso más lento atribuido a la reorganización de las moléculas adsorbidas. El

tiempo característico de ambos procesos es más lento para la adsorción del

tensioactivo, debido posiblemente a que las moléculas están más empaquetadas

y los movimientos más impedidos.

Las conclusiones obtenidas para la adsorción de la segunda capa de

QDs se refieren por un lado a que cantidad de QDs adsorbidos sobre el sensor

aumenta de forma significativa cuando se utiliza el polímero o el tensioactivo

para recubrir el sensor, respecto a la adsorción de QDs directamente en la

superficie del sensor de SiO2. Además, la cantidad de QDs adsorbida por

unidad de cadena hidrocarbonada es mayor cuando el sensor está recubierto de

tensioactivo, debido a que la conformación de las moléculas perpendiculares a

la interfase favorece el contacto entre el tensioactivo y los QDs. Las capas de

QDs adsorbidas sobre el polímero, el tensioactivo o sobre el sensor sin recubrir

presentan un comportamiento elástico, similar para los tres sistemas, de lo que

se deduce que las propiedades reológicas vienen gobernadas por las

nanopartículas. Respecto al proceso cinético de adsorción se ha concluido que

290 Conclusiones _____________________________________________________________________________________________________________________

este se produce también en dos etapas, adsorción y posterior reorganización de

las nanopartículas obteniéndose valores para estos dos tiempos análogos a los

obtenidos para la adsorción de QDs directamente sobre el sensor, por lo que se

concluye que el tiempo característico de los dos procesos no depende del tipo

de recubrimiento del sensor.

Los resultados de este trabajo presentan una serie de estrategias para

modificar la morfología de las películas de QDs depositadas sobre sólidos.

Estas estrategias se basan en una combinación de la metodología de deposición

y la ayuda de sistemas autoensamblados. Modificando ambas se pueden

obtener películas con diferentes morfologías, que como también se demuestra

en el trabajo, presentan diferentes propiedades fotoquímicas. Las distintas

metodologías bottom-up presentadas pueden ser utilizadas para la preparación

de dispositivos de QDs con un determinado patrón.

Contents

VI.1. Introduction and Aims 295

VI.2. Experimental Section 299

VI.2.1. Materials and Reagents 299

VI.2.2. Experimental Techniques 300

VI.3. Langmuir monolayers of gemini surfactant,

polymer and mixtures polymer/surfactant 303

VI.3.1. Gemini surfactant Monolayers 304

VI.3.2. Polymer PMAO/gemini surfactant mixed monolayers 307

VI.4. Preparation and characterization of QDs films

with gemini surfactant and polymer 307

VI.4.1. Langmuir-Blodgett films of QDs assisted by the

polymer PMAO and gemini surfactant 308

VI.4.2. Langmuir-Blodgett films of QDs deposited

onto PMAO and gemini surfactant films 311

VI.4.3. Photoluminescence properties of

QDs Langmuir-Blodgett films 314

VI.5. Adsorption study of QDs, polymer PMAO and gemini surfactant

using Quartz Cristal Microbalance with Dissipation 315

VI.5.1. Adsorption study of polymer and

gemini surfactant films. 315

VI.5.2. Adsorption of QDs films onto polymer and

gemini surfactant films 318

VI.6. Conclusions 320

VI.7. References 321

Summary in English 295 _____________________________________________________________________________________________________________________

VI.1. Introduction and Aims

The work carried out in this research focuses on the preparation and

characterization of CdSe films, semiconductor crystals light emitters, also

known as Quantum Dots (QDs), deposited on solids. The chosen solids mica,

glass and silicon are commonly used to fabricate optoelectronic devices. These

semiconductor nanocrystals can have different sizes and are usually coated

with a stabilizer. The role of the stabilizer is to prevent coalescence of the

material and are usually, molecules containing amines, oxygenated groups,

thiols and phosphines. These functional groups interact with the core of CdSe

nanoparticles being attached to the surface of the glass and stabilizing them.

Depending on the type of molecule used as stabilizing the nanoparticles can be

dissolved in water or organic solvents. As in other nanomaterials, the size of

these nanoparticles modifies its properties and among them the most striking

change occurs on their optical properties.

The optical properties of QDs in solution have had special interest

because its fluorescence emission has a number of advantages over other dyes.

These advantages can be summarized as having very narrow emission bands in

which the process of photo-bleaching is negligible, and their

photoluminescence can be modulated by changing the size or surface

characteristics. The results on the variation of the emission quantum efficiency

with the QDs structure revealed that the emitted intensity is always lower in the

QDs dissolved in water than in more hidrofobic QDs.1 This is the reason why

that latter are used to make light emitting devices or solar cells. Currently there

are discrepancies in the interpretation of this fact, however, dynamic

fluorescence studies of solutions containing QDs point out the processes of

electron transfer and energy transfer as the main causes of the reduction in the

radiative process.2 These processes are related to the existence of surface

296 Summary in English _____________________________________________________________________________________________________________________

defects, and with the decreasing of the distance between the nanoparticles due

to the formation of small clusters.3, 4, 5

The situation is even more complex when the QDs are deposited on

solid. This is mainly due to still is not yet found a method of deposition leading

to films in which the nanoparticles are homogeneously distributed avoiding the

formation of clusters and eliminates the 3D aggregation since these two issues

favor the electronic and energy transfer decreasing the fluorescence quantum

yield.6 There are two aspects to be improved to increase the fluorescence

emission, the first is to find a technique of that allows a great control over the

interparticle distance and the second one related to increasing the attractive

interactions between the solid and the nanoparticles in order to get these

interaction predominate over interactions between nanoparticles, preventing the

formation of 3D aggregates. As regards the deposition techniques some of the

most used is the evaporation of the solvent after depositing a predetermined

volume of solution, drop casting, or centrifuging a drop deposited on the solid,

spin coating, finally immersing the substrate in the solution, dip coating. These

methods produce undesirable processes such as aggregation of the

nanoparticles due to hydrodynamic and capillary effects during drying.7, 8 An

alternative proposal used by some authors and that we have used successfully

in our group is the Langmuir-Blodgett method. The advantage of this technique

is that is possible varying the distance between molecules of the material to be

transferred by changing the surface density of Langmuir monolayer by

compressing or expanding the barriers.9 One of the problems to solve is to

increase the affinity of the QDs by solids, making it higher than the affinity of

the nanoparticles with each other and preventing the formation of 3D QDs

aggregates. One suggestion to resolve this situation is to coat the solid with

polymers or surfactants, but so far have not achieved the desired results.


In this thesis, a derivative of maleic anhydride, poly (maleic acid-alt-1-

octadecene anhydride) (PMAO) is used, with the aim of controlling the self-

assembly of CdSe QDs deposited on a solid substrate. This polymer was

chosen because it has been successfully used to avoid the aggregation of other

types of nanoparticles,10 11 12 1 and has been used as stabilizer leading to stable

QDs films.13 The gemini surfactant, ethyl-bis(dimethyl octadecylammonium

bromide) (18-2-18) was also used, and it was selected because it has a strong

adsorption on different solids14 and it considerably increases the adsorption of

collagen15 and DNA16 17 on solid substrates. Two methods of deposition were

designed in order to modulate the self-assembly of QDs. The first one consists

of preparing a mixed monolayer composed by the polymer or the surfactant

and the QDs (co-spreading), which is subsequently deposited on the solid by

the Langmuir–Blodgett (LB) technique. The second methodology consist of

preparing a first polymer or surfactant LB film, and then the QDs were

deposited, bilayer. With the aim of studying the fluorescence emission of QDs

films and the processes involved in the dynamics of the fluorescence emission,

the technique Microscopy of Fluorescence Lifetimes (FLIM) was used. To

obtain high quality nanomaterials and to optimize the self-assembly process it

is necessary to understand the mechanism, the forces involved, and the other

factors that affect the organization of nanomaterials at the interface. With this

objective in mind, the effect of the rheological and structural properties on the

QDs films features was analyzed by Quartz Crystal Microbalance (QCM). This

technique also allows us to calculate the amount of material adsorbed and the

kinetics of the adsorption process.

The results of this thesis are structured into three parts. In the first part

the properties of the equilibrium monolayers for gemini surfactant 18-2-18, and

of the mixed of surfactant and PMAO monolayers were studied. After the

characterization, that monolayers were transferred by Langmuir-Blodgett


technique to solids and characterized by microscopic techniques. We have

studied the effect of anions of the Hofmeister series dissolved in the aqueous

subphase on the properties of gemini surfactant monolayers. Moreover, the

effect produced by the counterion was studied.

In the second part, we analyzing the morphology of CdSe QDs films

prepared by co-spreading and bilayer methods using PMAO, gemini surfactant

and polymer/surfactant mixtures as adsorption adjuvants. The characterization

techniques employed are AFM, SEM, and TEM. Prior to the deposition on the

solid, the study of Langmuir monolayers precursors of LB films was carried

out. This study has the aim of characterizing the state of the monolayers

transferred later to the substrate by the LB technique. Besides studying the

effect of the methodology of preparation on the morphology of the film, the

effect of the composition of the monolayer on the film structure is analyzed.

Finally, the photochemical properties of the QDs films were determined by

FLIM technique. The aim of this study was to analyze the processes involved

in the fluorescence emission and the role of the morphology of the films on the

emission processes.

Finally, in the last part the rheological properties and the kinetics of

adsorption of the different films were determined by means of Quartz Crystal

Microbalance with Dissipation (QCM-D). First, the structural and rheological

properties of PMAO and gemini surfactant films adsorbed on the surface of the

sensor are discussed, together with the adsorption kinetics of these molecules.

The rheological properties and the kinetics of adsorption of QDs deposited

onto the surfactant and the polymer films were determined to evaluate the

influence of the polymer or surfactant on the self-assembly of QDs.


VI.2. Experimental Section

VI.2.1 Materials and Reagents

The polymers poly (maleic anhydride-alt-1-octadecene), PMAO (Mr =

40 kDa) was purchased from Sigma-Aldrich®. The Gemini surfactant ethyl-

bis(dimethyl octadecylammonium bromide), 18-2-18, was synthesized using

the method described by Zana et al.18 with some significant modifications in

the crystallization step introduced by our group19 to guarantee a high degree of

purity. The surfactant dioctadecyldimethylammonium bromide (DOBAB) and

the trichloro (octadecyl)silane (OTS) were acquired from Sigma-Aldrich®.

The synthesis of CdSe QDs capped with trioctylphosphine oxide

(TOPO) was carried out by the method proposed by Yu and Peng 20. The QDs

size (3.55 ± 0.05 nm) was determined by the position of the maximum of the

visible spectrum of the QDs dispersed in chloroform.21 We calculated the

concentration of nanocrystals from the UV-Vis absorption spectrum of QDs

dissolved in chloroform by using the extinction coefficient per mole of

nanocrystals at the first excitonic absorption peak.21 UV-Vis absorption spectra

of QDs solutions were recorded on a Shimadzu UV-2401PC spectrometer.

Chloroform (PAI, filtered) used to prepare the spreading solutions was

purchased from Sigma-Aldrich. Millipore ultra-pure water prepared using a

combination of RiOs and Milli-Q systems, was used as subphase. The LB

substrate muscovite (mica) quality V-1 was supplied by EMS (USA) and was

freshly cleaved before use. The solid substrate Si (100) wafers were used

without pretreatment to obtain the ellipsometric measurements and were

supplied by Siltronix (France). The quartz discs and the Formvar®-carbon

coated copper grids were suppied by TedPella®.


VI.2.2 Experimental Techniques

Langmuir and Langmuir-Blodgett Troughs

The surface pressure measurements were performed on two computer-

controlled teflon Langmuir film troughs, Minitrough and Standard KSV2000-2

models (KSV, Finland). Spreading solution was deposited onto water subphase

with a Hamilton microsyringe. The syringe precision is 1 L. The surface

pressure was measured with a Pt-Wilhelmy plate connected to the

electrobalance. The temperature at the subphases was maintained by flowing

thermostated water through jackets at the bottom of the trough. The

temperature near the surface was measured with a calibrated sensor from KSV.

The water temperature was controlled by means of the Lauda Ecoline RE-106

thermostat/cryostat. Langmuir monolayers were transferred by symmetric

barrier compression (5 mm min-1) by the vertical dipping method at a rate of 5

mm min-1 onto mica, silicon and quartz substrates, and of 1 mm min-1 onto

Formvar®-carbon coated copper grids, forming Y-type LB films.

Surface potential

The surface potential V was measured in the Teflon Langmuir

Minitrough (KSV, Finland). A Kelvin probe KSVSPOT from KSV located

approximately 2 mm above the aqueous surface was used. KSVSPOT is based

on the non-contact vibrating plate capacitor method with the reference

electrode placed in the subphase. The surface potential of monolayers was

determined relative to the surface potential of the supporting electrolyte and of

water if no salt was added to the subphase. Each reported value is an average

over five measurements and the standard deviation of these measurements was

considered the experimental error.


Brewster Angle Microscopy (BAM)

The morphology of monolayers at the air-water interface was observed

using a Brewster angle microscope BAM (Optrel BAM 3000 from KSV)

mounted on the Teflon Langmuir through Standard KSV2000-2 (KSV,

Finland). The microscope uses a helium-neon laser of 10mW (632.8 nm), that

falls on the air-water interface with the Brewster angle of water, 53.15º, and a

digital camera model Kam Pro-02 (768 × 494 pixels) from EHD. The images

were taken with an objective 5x (image size 800 x 600 m) Mitutoyo (Japan).

Atomic Force Microscopy (AFM)

AFM images of the LB films deposited on mica were obtained in

constant repulsive force mode by AFM (Nanotec Dulcinea, Spain) with a

rectangular microfabricated silicon nitride cantilever (Olympus OMCL-

RC800PSA) with a height of 100 μm, a Si pyramidal tip (radius < 20 nm) and a

spring constant of 0.73 N m-1. The scanning frequencies were usually in the

range between 0.5 and 2.0 Hz per line. The measurements were carried out

under ambient laboratory conditions.

Ellipsometry

Ellipsometric measurements were performed on a null imaging

ellipsometer (Nanofilm, model EP3, Germany) to determine the refractive

index and the thickness of the Langmuir-Blodgett films. The incident Nd:YAG

laser beam (= 532 nm) was focused on the LB films on silicon substrates

positioned on the goniometer plate at a fixed incident angle of 70º. Each

sample was measured in several regions to obtain representative values. The

precision on the ellipsometric angles is ca. 0.0006. The interface was modeled

with the three layers model previously described.22 The first one is the Si

substrate with a refractive index of 4.1264 and the second layer is a native


oxide layer with a refractive index of 1.4653,23 which were obtained in an

ellipsometry experiment using a clean Si wafer. The thickness and refractive

index of the QDs films on different matrix were obtained by fitting the

ellipsometric angles, and to Fresnel equation.

Scanning Electron Microscopy (SEM) and Transmission Electron

Microscopy (TEM)

A FEI Helios 450 dual-beam FIB/SEM was used to obtain images of

QDs LB films with a supply to the electron beam between 5-10 kV. TEM

images of the QDs LB films deposited on Formvar®-carbon coated copper

grids were taken with 80 kV TEM (ZEISS EM 902, Germany). The LB

deposition onto copper grids was realized at a speed up of 1 mm min-1.

Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM)

Photoluminescence measurements were performed with a time-resolved

fluorescence microscope (MicroTime 200, PicoQuant GmbH). The excitation

source is a pulse diode laser emitting at 482 nm with repetition rate of 2.5

MHz. Illumination and collection of light are done through a water immersion

objective 60x magnification with N.A of 1.2 (UPLSAPO 60XW, Olympus).

The emitted fluorescence is collected with a band pass filter with transmission

in the interval 528-563 nm. A pinhole of 100 m is used to reject out-of-focus

light. The emitted light is detected with single-photon counting avalanche

diodes (Perkin-Elmer) and digitized by TimeHarp 200 TC-SPC PC board

(PicoQuant GmbH). Scans were performed on areas of 80 x 80 m and the

images were composed of (256 x 256) pixels. The integration time per pixel

was 2 ms and the excitation power was kept at 108 W cm-2. Data analysis with

a multiexponential function was done with the SymPhotime software

(PicoQuant GmbH). The quality of the fits was evaluated by the usual criteria

for the χ2 parameter and the weighted residuals.


Quartz Cristal Microbalance with Dissipation (QCM-D)

The QCM-D experiments were performed on the Quartz Crystal

Microbalance with Dissipation (QCM-D) model Q-Sense E1 (Gothenburg,

Sweden). The quartz sensor crystals (QSX 303) supplied by Q-Sense consist of

an AT-cut quartz crystal of 14 mm of diameter and thickness 0.3 mm coated

with SiO2 on one side of the gold electrode. The crystal is excited to oscillate at

its characteristic fundamental frequency f0 = 5 MHz and its odds overtones (ν =

3, 5, 7, 9 and 11). The mass added to the crystal surface is registered as a

decrease in the resonance frequency (f), while changes in the dissipation

factor (D) are related to the viscoelastic properties and to structural changes

in the film. The methodology employed for the adsorption of the successive

layers in the QCM-D experiments was the following: to set the baseline, the

solvent used for preparing the solutions, chloroform, was introduced in the

measurement chamber cell using a peristaltic pump at the flow rate of 50 l

min-1. In a second stage, the polymer or surfactant solutions were introduced in

the cell at the same flow rate until it was fully filled. Then, the flow was

stopped and the experiments were performed in batch conditions at 20ºC. After

that, the QDs were deposited onto the first layer by filling the cell with the QDs

solution in chloroform.

VI.3. Langmuir monolayers of gemini surfactant, polymer and

mixtures polymer/surfactant

The results presented in this part of the work are focus on the study and

characterization of Langmuir monolayers of gemini surfactant 18-2-18 and

polymer PMAO/gemini surfactant mixed monolayers, and on their Langmuir-

Blodgett films. Moreover, the effect of saline subphases on the properties of

gemini surfactant monolayers has been evaluated. The characterization of the


monolayers was performed by registering the surface pressure-area isotherms,

π-A, from which the equilibrium elasticity was obtained. The surface potential

of gemini surfactant monolayers was determined and the morphology of the

monolayer was analyzed through Brewster Angle Microscopy. The effect of

anions of the Hofmeister series in the subfase on the properties of gemini

surfactant Langmuir and LB films has been investigated, together with the

influence of divalent cations of alkaline earth metals in the subfase. Inasmuch

as it is establish that polymer/surfactant mixtures produce a synergistic effect

in the surface concentration at the air-water interface,24-29 and the synergistic

effects are usually related to attractive interactions between components at the

interface, we carried out a thermodynamic study of these mixtures by recording

the surface pressure isotherms with different composition and analyzing the

mean area and excess area for the mixtures. The monolayers were transferred

onto mica by the Langmuir-Blodgett technique and characterized by Atomic

Force Microscopy (AFM).

VI.3.1. Gemini surfactant Monolayers

The results of the equilibrium properties showed that gemini surfactant

forms stable and reproducible Langmuir monolayers. The BAM images

obtained for the gemini surfactant monolayers showed domains in the plateau

at almost zero surface pressure, which are ascribed to a gas-liquid expanded

(G-LE) phase coexistence. In the LE phase observed from the liftoff to the

onset of the collapse film no domains appeared in BAM images.

In order to gain insights about the effects of specific interactions

between anions in the subphases and surfactant on the structure and properties

of Langmuir and LB films of gemini surfactant, the surface pressure and

surface potential isotherms at the air-water interface were obtained on aqueous

subphases containing sodium salts with several anions of the Hofmeister series


( SCNClOIBrNOCl ,,,,, 43 ). First, we studied the salt concentration

effect on the monolayer, showing than the area per molecule decreases rapidly

with increasing salt concentration. This is due to the screening of the electric

charge of ionic surfactant, and the minimization of the repulsions between the

surfactant molecules, thus monolayers become more compressed. The effect of

the investigated anions on the monolayer properties can be ordered according

to the Hofmeister series with a change in the order between bromide and nitrate

anions. The BAM images in the gas-liquid expanded (G-LE) regions for

monolayers on subphases with different salts showed domains with similar

morphology than those of monolayers on water subphases. The area per

molecule extrapolated to zero surface pressure in monolayers prepared on

saline subphases decreases according to the series:

SCNClOIBrNOClwater 43 , and the maximum value of

the equilibrium elasticity modulus increases in the same order. These facts can

be attributed to the screening of the surfactant electric charge by electrolytes

dissolved in the subphases which are more effective in this order increasing the

chain packing and the elasticity of the monolayer. The surface potential

measurements showed that the surface potential values are always positive as

correspond to a monolayer containing cationic surfactant molecules and at a

given area the surface potential decreases following the same series. All these

results indicate that anions have different ability to compensate the electric

charge of the surfactant. Experiments performed by other authors using

vibrational sum frequency spectroscopy (VSFG)30 and normalized second

harmonic generation spectroscopy (SHG)31 showed the presence of 3NO at the

interface.32, 33 The fact that the nitrate symmetric stretch can be observed by

VSFG is signature of structural changes on the 3NO adsorbed at the interface

because the symmetric stretch of the planar structure of 3NO in bulk, D3h

symmetry, is not VSFG active.32 The structural change on the nitrate anions at


the interface could be responsible of the observed inversion in the order

between bromide and nitrate anions34 for the ability of packing the gemini

surfactant monolayer.

On the other hand, for a given anion, the cation of the salt also

influences the surface properties of the Langmuir films. The π-A isotherms of

gemini surfactant shift to lower areas per molecule as the cation size increases.

The area per molecule extrapolated to zero surface pressure in the LE region

and the maximum of the equilibrium elasticity modulus values demonstrated

that the monolayer becomes more compressed according to the following order

Mg2+ < Ca2+ < Sr2+ < Ba2+. The elasticity increases in a similar way to the

decrease of the molecular area of surfactant molecules at the interface. All

these results indicated that the electric charge of monolayers of the Gemini

surfactant is screened following this serie. This behavior shows the important

role that the countercation plays in the propensity of a given anion for the air-

water interface and it is consistent with theoretical35 and experimental32, 33

results.

In order to test the influence of saline subphases, LB films of the gemini

surfactant were prepared on water subphases without and with salts. The

morphology of LB films was observed by AFM. The AFM images showed that

the molecules become more closely packed and nearly vertical to the surface

when anions screen the electric charge of the surfactant molecules. The image

shows a quasi-homogeneous film of surfactant molecules with height between

2 and 2.5 nm, this thickness is similar to the length of the fully extended chain

of the surfactant molecule. Thus, the AFM images of LB films reveal that the

monolayers of 18-2-18 become more closely packed and nearly vertical to the

surface when the electric charge of the surfactant molecules is efficiently

screened by anions dissolved in the aqueous subphase.


VI.3.2. Polymer PMAO/gemini surfactant mixed monolayers

The surface pressure-area isotherms obtained from mixed monolayers

with different PMAO/Gemini composition were used to study their behavior

and the component miscibility, which is studied by means of the dependence of

the excess area, Aexc, with the mixture composition. Therefore, the variation of

the excess area calculated from the isotherms and:36 Aexc =A12-(X1A1+X2A2).

The excess area can be zero when the two components are immiscible or when

the components form an ideal mixture, while the deviation from zero is

signature of interactions between the components.36 The Aexc values plotted

against the Gemini mole fraction, showed negative deviations for all

compositions and the most negative one appears around XGemini = 0.33. This

behavior indicates the existence of attractive interactions between molecules at

the interface resulting in highly packed and elastic monolayers. Accordingly,

we transferred a mixed PMAO/Gemini Langmuir monolayer of composition

XGemini = 0.33 from the air-water interface onto mica at the surface pressure

value of 30 mN m-1. We selected this surface pressure because it corresponds

to a dense state in which the monolayers do not reach the collapse. The AFM

image of the PMAO/Gemini (XGemini = 0.33) LB film shows an almost

continuous film of PMAO and surfactant molecules with a height profile of ~2

nm. This indicates that the addition of small amounts of gemini surfactant to

the PMAO monolayer leads to higher packing.

VI.4. Preparation and characterization of QDs films with

gemini surfactant and polymer

The aims proposed in this part of the work regarding to QDs are: the

preparation of QDs LB films using mixed monolayers of the polymer PMAO

and the gemini surfactant with QDs, and the self-assembly of QDs onto


polymer PMAO and gemini surfactant LB films. Finally, the effect of the

morphology on the photoluminescence properties of QDs LB films was also

analyzed.

VI.4.1. Langmuir-Blodgett films of QDs assisted by the polymer PMAO

and gemini surfactant

This section is dedicated to study the ability of PMAO and gemini

surfactant 18-2-18 to assist in the self-assembly process of CdSe QDs at the

air-water interface. With the purpose of organizing QDs into ordered two-

dimensional (2D) arrays, mixed Langmuir monolayers of QDs and the polymer

or the surfactant molecules were transferred onto solids by the LB

methodology. First, we deal with the study of two-component Langmuir

systems containing PMAO or gemini surfactant and QDs, and second, the

properties of films composed by mixtures of the three components were

analyzed. Because the preparation of LB films requires the knowledge of the

Langmuir monolayers precursors of these films, we previously studied the

properties of Langmuir monolayers by recording the surface pressure and

elasticity isotherms. Finally, we evaluated the morphology of the LB films by

AFM, SEM and ellipsometry.

The morphology of the surface pressure isotherms obtained for

PMAO/QDs mixed monolayers changed with the surface composition. The

surface elasticity isotherms for the PMAO/QDs mixed monolayers decreased

compared with the values of the polymer monolayer. This behavior is observed

even in monolayers with small concentrations of QDs. The elasticity values for

the mixed PMAO/QDs monolayers correspond to liquid expanded states (LE).

This behavior points to an interdigitation of the polymer chains with the QDs

stabilizer (TOPO). The morphology of several mixed PMAO/QDs LB films

was analyzed by ellipsometry, SEM and AFM. The AFM images showed that


the addition of the polymer PMAO increases the surface coverage of QDs onto

the solid. For comparison, the QDs were directly deposited on the solid, and

the AFM images showed that these films consist in 3D QDs aggregates of

different heights. This behavior was related to the weak interactions between

the hydrophobic chains of the QDs stabilizer (TOPO) and the solid substrate.

The increase of coverage and the inhibition of the 3D aggregation produced by

the polymer PMAO can be interpreted considering that the QDs are adsorbed

on the polymer by attractive interactions between the polymer chains and the

QDs stabilizer improving QDs adhesion on the solid substrate. The AFM and

SEM images allow concluding that the structure of the films was built by rims

delimiting a hexagonal network. The rims height profile value was ~ 3 nm,

compatible with the QDs diameter in solution. The thickness value obtained by

ellipsometry agreed with the height determined by AFM. The formation of

mosaics has been studied both theoretically and experimentally and was

attributed to the dewetting processes; in this system the morphology of the

mosaic points to the mechanism referred to as nucleation and coalescence of

holes.37 In this mechanism, the gravity contribution dominates and the process

starts with the nucleation of holes at defect sites of the film and the subsequent

displacement of material away from the nucleus. The material is accumulated

in the rims of holes delimiting a mosaic.38-40

We also explored mixed Langmuir monolayers of the gemini surfactant

and QDs transferred from the air-water interface onto mica substrate.

Previously to the LB deposition the surface pressure and elasticity isotherms of

different mixtures were recorded and results showed that the most compressed

monolayer corresponds to the pure surfactant, thus the addition of QDs to the

monolayer decreases the elasticity of the surfactant monolayer. The AFM

characterization of surfactant/QDs films transferred onto mica by the LB

method showed that the surfactant increased the surface coverage of QDs. This


is due to attractive interactions between the QDs stabilizer (TOPO) and the

surfactant chains, while the head group of the surfactant interacts with the solid

increasing the coverage. The AFM images showed that in mixed

surfactant/QDs films the QDs aggregate in domains of different shapes and that

the density of domains increases as the surfactant concentration in the

monolayer increases. Comparison between the self-assemblies of PMAO/QDs

and surfactant/QDs films showed that the morphologies are quite different

pointing to a different dewetting mechanism. Thus, the PMAO/QDs films are

constituted by hexagonal networks, while the Gemini/QDs mixed films present

some arrays of droplets. The morphology of the Gemini/QDs mixed films was

previously observed for films in which the gravitational energy is negligible

compared with the capillary effects. In this mechanism, referred as spinodal

dewetting, the capillary waves break the film into nanostructures when the

amplitude of the capillary waves exceeds the thickness of the film.41

Differences observed in the dewetting mechanism of PMAO/QDS and

Gemini/QDs films can be related to the different molecular weights of the

matrix. Thus, the molecular weight of the polymer, 40 kD, is fifty times higher

than surfactant one, accordingly, the gravitational effects prevail over capillary

waves for QDs films containing the polymer PMAO.

We expected synergistic effects on the self-assembly of QDs at the

interface by means of polymer PMAO and gemini surfactant mixtures with

QDs. Therefore, looking towards synergy in the molecular interactions

between PMAO/Gemini and QDs, we analyze the structure of films obtained

by transferring mixed Langmuir monolayers of PMAO/Gemini/QDs from the

air-water interface onto solids by the LB technique. From the results of tree-

components surface pressure isotherms it is possible to conclude that the

organization of molecules at the monolayer evolves with the matrix

composition and renders the most condensed and elastic states when the


PMAO/Gemini ratio is around 0.5. Attractive interactions between the polymer

and the surfactant molecules can be responsible for this efficient packing.

The AFM images allow to observe the evolution of the domains’

morphology with the mixture composition expressed as polymer more

fractions. The two different dewetting mechanisms detected in the PMAO/QDs

and Gemini/QDs mixed films can be observed in the films containing mixed

matrices. When the polymer composition in the matrix increases above YPMAO

= 0.3, the dewetting process characteristic of the polymer matrix becomes more

important and prevails over the dewetting mechanism corresponding to the

surfactant matrix.

Results showed that, while QD agglomeration is generally inhibited by

the addition of these components to the Langmuir monolayer of QDs, the

structure of the mixed films transferred is strongly affected by dewetting

processes. Nucleation-and-growth of holes and spinodal-like dewetting were

respectively observed in the presence of either PMAO or gemini surfactant.

VI.4.2. Langmuir-Blodgett films of QDs deposited onto PMAO and gemini

surfactant films

PMAO and gemini surfactant LB films have been used as coatings to

improve the adsorption of QDs films. The methodology employed for the

bilayer preparation is as follows: first, the polymer or surfactant film is LB

deposited. After deposition, the film is dried under vacuum and then, the QD

layer is transferred onto the surfactant or polymer LB film by the LB

methodology. Results showed that the two coating molecules avoid the 3D

aggregation of QDs observed when these nanoparticles are directly deposited

on mica.


Different morphologies were observed depending on the molecules

used as coatings, and this was related to the surface properties, such as wetting

ability, and the morphology of the coating LB films. TEM images of

PMAO//QDs film showed isolated nanoparticles deposited along the film.

Some regions without nanoparticles are observed in both AFM and TEM

images. These regions can be compatible with zones less densely covered

observed on the PMAO films used as substrate coating. This fact seems to

indicate that the QDs are preferentially adsorbed onto PMAO molecules.

On the other hand, the surfactant molecule renders an almost

continuous LB film of close-packed surfactant molecules, in which the

molecules are arranged nearly vertical to the air-solid interface and with the

chains exposed to the QDs ligands. SEM and TEM images of QDs films

deposited onto the surfactant LB film (Gemini//QDs) showed large domains of

QDs constituted by close-packed nanoparticles. The radial distribution function

(RDF), g(r), was calculated from TEM images to evaluate the distance between

QDs inside domains. The interparticle distance (d) found was ~1.7 nm. This

distance is slightly higher than twice the length of the TOPO coating molecules

(0.7 nm) and it is consistent with a close-packed QDs arrangement. The results

demonstrated that the most packed QDs domains are obtained for films built by

transferring QDs Langmuir monolayers onto the gemini surfactant LB film.

In an attempt to interpret this behavior, the ability of QDs to wet the

different films employed as substrate coating was analyzed. This analysis was

carried out by means of the spreading parameter, S, indicative of the balance

between intermolecular forces of QDs and the coating layer (adhesive forces)

and QD-QD (cohesive forces). The S parameter corresponding to the

Gemini//QDs system is the most positive one. This indicated that the QDs wet

the surfactant film well, favoring the adsorption of nanoparticles on the

surfactant film. As a consequence, the surfactant film induced a high QDs


coverage. Since the surfactant formed an almost continuous and homogeneous

film, the QDs were homogeneously distributed along it. For PMAO//QDs films

the S value is positive, indicating that the QDs wetting is good, but smaller than

that calculated for the surfactant. In addition, the PMAO film used as substrate

coating presented small holes. These two facts rendered a less efficient QDs

adsorption on this film than onto the gemini surfactant film.

In an attempt to improve the adsorption ability of the PMAO coating

film, we explored mixtures of PMAO and gemini surfactant to modify the

substrate. The QDs monolayer was transferred onto the PMAO/Gemini LB

film that showed a dense state and the most efficient packing. AFM and TEM

images of PMAO/Gemini//QDs LB films showed big QDs domains with

similar morphology than those observed when the surfactant is used to cover

the substrate. The RDF function calculated from the images of these films

showed that the first RDF peak for QDs deposited onto the

PMAO/Gemini//QDs films is centered at 5.5 ± 0.1 nm, while the one

corresponding to Gemini//QDs is centered at 5.1 ± 0.1 nm. The number of

particles calculated in the successive shells (Ni; i=1, 2,…), from the integration

of the RDF individual peaks in QDs deposited onto the gemini surfactant film,

was ca. 5 and 10 particles in the first and second shells. This is compatible with

an arrangement close to an ideal hexagonal array (N1= 6, N2= 12). In contrast,

for QDs films adsorbed on the PMAO/Gemini LB film, the number of particles

in the first and second shell was 5 and 7, respectively. This fact indicates that

the hexagonal array of QDs adsorbed on the gemini surfactant LB film is

slightly distorted by the addition of PMAO to the gemini surfactant coating

film.

Therefore, results demonstrated that deposition of QDs onto PMAO and

gemini surfactant LB films avoids the QDs 3D aggregation. The height profiles

obtained for QDs domains in AFM measurements was 3-4 nm. This value is


compatible with the diameter of the nanoparticles, indicating that the 3D

aggregation observed when the QDs films are deposited on mica without

previous modification is prevented.

VI.4.3. Photoluminescence properties of QDs Langmuir-Blodgett films

The photoluminescence (PL) properties of QDs LB films prepared by

the bilayer methodology were studied. Previous results demonstrated that the

most regular films were obtained when QDs are deposited onto polymer or

surfactant films, and also the deposition of QDs on in this way yielded the

highest photoluminescence emission intensity.42 This is an important issue

because CdSe QDs have been proposed as components for fabrication of

LEDs.43-45 To this aim, several molecules were used to coat the quartz substrate

and the photoluminescence properties of QDs films were evaluated using the

Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM). The selected amphiphilic

molecules were the gemini surfactant 18-2-18, the surfactant DODAB, the

polymer PMAO and the silane OTS.

The study was focus on the analysis of the FLIM images and the

photoluminescence decay curves for the different systems. The QDs film

transferred onto gemini surfactant promotes the most regular images and the

highest photoluminescence intensity, with respect to the PMAO, OTS and

DODAB coating molecules. This behavior can be related to the most ordered

QDs film observed by TEM, with a hexagonal packing arrangement of QDs.

The QDs were LB deposited at several surface pressures onto the gemini

surfactant, and the photoluminescence properties were compared with films at

the same surface pressure transferred directly on the quartz substrate. The

FLIM images of QDs adsorbed on the quartz showed structures that can be

ascribed to 3D aggregates at the interfase. The decay curves were interpreted

according to an approximate model previously proposed by our group.42 The


model relates the morphology of the films with the PL properties. In the model,

the decay function, , is interpreted by two contributions, and ,

corresponding to the charge transfer process and the energy migration process,

respectively. From the fit of the experimental decays to the model, it is possible

to observe a different behavior between the PL properties of QDs adsorbed in

hexagonal packed arrays and the 3D aggregates of QDs. The contribution of

the energy transfer increases with the trap concentration in the hexagonal

packed regions, while it decreases with the concentration of traps in 3D

aggregates. Our results demonstrate that it is necessary a great control of the

domain morphology and surface defects of QDs to improve the fluorescence

intensity of QDs.

VI.5. Adsorption study of QDs, polymer PMAO and gemini

surfactant using Quartz Cristal Microbalance with Dissipation

We use Quartz Crystal Microbalance with Dissipation (QCM-D) to

study the mechanical properties, kinetics of adsorption and the amount of CdSe

QDs adsorbed onto the sensor modified with PMAO or gemini surfactant 18-2-

18 films. For comparison the adsorption of QDs onto SiO2 sensor, referred as

bare sensor, was also studied. In particular, our goal is to investigate the role of

the adsorption kinetics and the mechanical properties of PMAO and gemini

surfactant films on the dynamic and structural properties of QDs films.

VI.5.1. Adsorption study of polymer and gemini surfactant films

Prior to study the effect of polymer and surfactant coatings on the

properties of QDs films, it was necessary to obtain the thermodynamic and

dynamic properties of the coating films. The changes in the dissipation factor

(D) and in the frequency normalized with the overtone (f/ν) points out to


different rheological properties between polymer PMAO and gemini surfactant

molecules. For the adsorption of gemini surfactant the f/ν and D curves

overlap for all the overtones, which means than the film is rigid and behaves as

an elastic film. Conversely, when the polymer PMAO is adsorbed onto the

sensor, the f/ν values are not superposed, and the change in dissipation is

higher than the change in frequency (more than 5%).46 This behavior seems to

indicate that PMAO films present viscoelastic behavior. To confirm this issue,

the storage modulus, G’, and the loss modulus, G’’, were calculated using the

Voigt47 model in PMAO films. Results showed that G’ and G’’ values are

almost independent of polymer concentration, and the average values found

were 0.4 MPa and 0.04 MPa for G’ and G’’. Since the G’/G’’ value is 10 the

viscous component is not negligible for PMAO films,46 and therefore they

present a viscoelastic behavior. According to this behavior, the Voigt47 model

was used to calculate the polymer mass adsorbed on the sensor, while the

Sauerbrey48 equation was used to determine mass of the gemini surfactant rigid

films.

The variation of D withf/ is related to the structure and

rearrangements of the molecules adsorbed on the sensor.49-51 The slope of the

dissipation change (D3) against f3/3 is higher for PMAO films than for the

gemini surfactant films. This fact suggests a flatter conformation for PMAO

than for the surfactant film, and the higher f3/3 values for the surfactant means

that the amount adsorbed is higher than in the polymer PMAO. This suggests a

higher molecular packing on gemini surfactant films which can be responsible

of the elastic behavior found in this film.49 The film thickness calculated from

QCM-D measurements agrees with the average height profiles of LB films

determined by AFM for polymer and surfactant films. The thickness of the

surfactant layer is close to the length of a fully extended hydrocarbon chain of

18C atoms (2.4 nm), while the thickness obtained for PMAO films are smaller.


Our results indicated that the surfactant molecules adopt a configuration almost

perpendicular to the solid surface while the polymer molecules are tilted,

resulting in a flat configuration at the interface.

Qualitative information about the enthalpy/entropy balance of the

adsorption process was obtained from the D vsf/plot.50, 52 The high

dissipation factor values found for the PMAO films can be associated to a low

weight of the entropy contribution to the adsorption process.53, 54 On the

contrary, the lower D values found out for gemini surfactant films pointed out

that the entropy was the factor that controlled the adsorption onto the sensor.

To interpret this behavior it is necessary to consider that fully extended

hydrocarbon chains protrude to the liquid phase resulting in high entropic

contributions.55 This seems to be the situation for the surfactant films, while the

flatter configuration reached by the polymer molecules corresponds with lower

entropic contribution to the variation of the adsorption free energy.55

The dynamic and thermodynamic properties of the polymer and

surfactant films were studied by analyzing the adsorption curves. The

dependence of surface concentration with the concentration of PMAO or

gemini surfactant solution introduces in the cell was interpreted by means of

the Langmuir adsorption model. The parameters obtained from the fits showed

that the Langmuir equilibrium constant (KL) is higher for the gemini surfactant

than for the polymer PMAO, indicating that the adsorption-desorption balance

is more favored for the gemini surfactant than for the polymer PMAO. On the

other hand, the maximum surfactant concentration adsorbed onto the sensor

(max) is more than twenty times the amount of polymer. The adsorption curves

can be interpreted as a sum of two exponential functions.56 This means that the

adsorption of both, the polymer and surfactant molecules agree with a bimodal

process57, 58 according to the results obtained for the adsorption of other

polymer molecules.59-61 Therefore, the adsorption of the polymer PMAO and


the gemini surfactant follow two processes, the faster one is attributed to the

adsorption process, faster for the polymer than for the surfactant molecules.

The second process is ascribed to rearrangements of the adsorbed molecules

onto the sensor. From our data it is possible to conclude that the reorganization

is slower for surfactant than for polymer molecules onto the solid sensor. Since

the surfactant molecules are highly packed, the movements of chains can be

hindered, and thus, the reorganization time is slower for the surfactant than for

the polymer.

VI.5.2. Adsorption of QDs films onto polymer and gemini surfactant films

Next step was to study the thermodynamic, dynamic and rheological

properties of QDs adsorbed onto polymer PMAO and gemini surfactant films.

We chose the coating solution concentrations that demonstrated to saturate the

sensor with the molecules. QDs were also adsorbed directly onto the bare

sensor for comparative purposes.

Thef/ν and D values for the different overtones overlap for the QDs

adsorbed onto the bare sensor and onto the gemini surfactant film, showing

than the QDs films present elastic behavior. In the case of QDs adsorbed onto

the PMAO film the change in frequency with respect to the change in

dissipation parameter (D/f) is less than the 5%, indicating that the QDs

adsorption onto the PMAO film modifies its mechanical properties and makes

the system more rigid. Therefore, as QDs films present elastic behavior, the

Sauerbrey equation was used to determine the mass of QDs adsorbed.

The results showed that the QDs coverage increases significantly when

nanoparticles are adsorbed onto the coating films as compare with the bare

sensor. The QDs adsorption isotherms are interpreted according to the

Langmuir model that agrees acceptably with the experimental data. It is


possible to conclude that KL and max almost duplicate their values when QDs

are adsorbed onto PMAO or the gemini films with respect to the adsorption

onto the bare sensor. To analyze the PMAO and surfactant ability to adsorb

nanoparticles, we calculated the QDs coverage per hydrocarbon chain of the

coating molecule, , as the ratio between the mass of QDs adsorbed onto films

and the surface concentration of hydrocarbon chains, taking into account that

the polymer contains 114 hydrocarbon chains per molecule and the surfactant

presents two hydrocarbon chains per molecule. The values found showed that

the QDs coverage per hydrocarbon chain is almost three times higher for the

gemini surfactant than for the polymer PMAO. We relate this behavior to the

different structure of coatings in films, since gemini surfactant is perpendicular

to the solid surface while PMAO lies flat to the sensor. This fact likely favors

the contact between the hydrocarbon moieties of the QD stabilizer and the

surfactant molecules, increasing the nanoparticle coverage per hydrocarbon

chain.

The QDs adsorption curves were interpreted by using a bimodal kinetic

model. The τ1 and τ2 values obtained are almost independent of both, the nature

of the coating film and the concentration of QDs solutions in the cell. The

characteristic times of the two processes, τ1 and τ2, present similar values for

QDs adsorbed onto polymer and surfactant films and onto the bare sensor. This

indicated that the kinetics of adsorption was driven by the QDs adsorption, and

does not depend on the nature of the coating employed. The fastest process τ1

was ascribed to nanoparticle adsorption, while the slowest one τ2 was assigned

to rearrangement movements.62-64

Our results demonstrate that the coating of the sensor with the polymer

PMAO or the gemini surfactant increases the QDs coverage. On the other

hand, both, the rheological properties and the kinetic of adsorption are driven

by QDs, because they are independent of the coating film and similar to QDs


films directly adsorbed onto the sensor.

VI.6. Conclusions

Results presented in this work demonstrated that Langmuir-Blodgett

technique is and excellent methodology to transfer QDs from the air-water

interfase to solid substrates. However, the deposition onto the bare substrate

leads to QDs 3D aggregates within the films. To avoid the 3D aggregation we

propose two different deposition methodologies, in which the polymer PMAO

and the gemini surfactant assist in the QDs self-assembly, leading to domains

of different morphologies. The morphology of films depends on the kind of

molecule used, polymer PMAO or gemini surfactant, and on the methodology

designed to transfer the Langmuir monolayer of QDs. The two deposition

methodologies proposed in this work were referred as, co-spreading and

bilayer. In the first one, mixed monolayers of QDs with polymer or surfactant

are prepared at the air–water interface, and they were transferred onto the solid

by LB. In this methodology, dewetting processes drive the morphology of QDs

domains. In the bilayer procedure, the QDs are transferred from the air-water

interfase to a LB film of the polymer PMAO or the gemini surfactant. The

ability of QDs to wet the LB film is responsible of the film morphology. The

gemini surfactant provide the best wetting, and consequently, QDs form an

ordered film with an arrangement close to an ideal hexagonal array. The

photoluminescence of QDs films is affected by two processes, the energy

transfer and the recombination of the charge trapped states to the exciton states.

The percentage of each process depends on the film morphology.

The QCM-D results showed that the amount of QDs adsorbed per

hydrocarbon chain is higher for films deposited onto the gemini surfactant than

for QDs adsorbed on the polymer film. The adsorption is a two-step process in

which the fastest one is attributed to the nanoparticle adsorption, and the


slowest one is ascribed to rearrangements of nanoparticles adsorbed on the

solid.

Finally, results obtained in this work showed that it is possible to

modulate the self-assembly of QDs by modifying the surface composition of

the Langmuir monolayer precursors of the LB films by the addition of the

polymer PMAO or the gemini surfactant 18-2-18, or by coating the solid with

these molecules. These strategies represent bottom-up reproducible

methodologies for patterning at nanoscale.

VI.7. References

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Abreviaturas y Símbolos i _______________________________________________________________________________________________________________________________

Abreviaturas y Símbolos

18-2-18 Dibromuro de etil-bis (dimetil octadecil ammonio)

1H RMN Resonancia magnética nuclear de protón

2D Dos dimensiones

3D Tres dimensiones

13C RMN Resonancia magnética nuclear de carbono 13

A Área superficial

a Longitud capilar de la parte alta del menisco formado por la

placa Wilhelmy

A12 Área media por molécula

ADN Ácido desoxirribonucleico

Aexc Área de exceso molecular

AFM Microscopía de Fuerza Atómica

ai Factor preexponencial de tiempos de vida de fluorescencia

Ai Área por molécula de la componente i

Ai Amplitud de la componente i del decaimiento

BAM Microscopía de Ángulo Brewster

Bkgr.Dec Fondo del decaimiento

Bkgr.IRF Fondo del IRF

ca. Circa

C Concentración

C Constante de sensibilidad de masa del cristal

CCD Dispositivo de carga acoplada

CD Concentración reducida de dadores en QDs

CMC Concentración micelar crítica

CT Concentración reducida de trampas en QDs

ii Abreviaturas y Símbolos _______________________________________________________________________________________________________________________________

C(t) Contribución de la transferencia de energía entre QDs al

decaimiento de PL

d Distancia entre placas en la sonda Kelvin

D Diámetro de la nanopartícula

D Factor de Disipación

DODAB Bromuro de Dioctadecil Dimetilamonio

D(t) Función de decaimiento

E1s Energía del primer pico excitónico de absorción

Ealmacenada Energía total almacenada en el oscilador

Eperdida Energía disipada en un ciclo de oscilación

EQCM Microbalanza electroquímica de cristal de cuarzo

ET Transferencia de energía

F1, F2, F3 Filtros de paso de banda de 545±17.5 nm (F1), 575±15 nm (F2), y

695±27.5 nm (F3)

f Frecuencia de resonancia

f0 Frecuencia de resonancia fundamental

fi Fracción de intensidad de la componente i del decaimiento

FIB-SEM Microscopio Electrónico de Barrido con haz de Iones Focalizados

FLIM Microscopía de tiempos de vida de Fluorescencia

FRET Transferencia de Energía de Resonancia de Föster

FTIR Espectrometría Infrarroja con Transformada de Fourier

G Fase gaseosa

G* Módulo complejo

G’ Módulo de almacenamiento

G’’ Módulo de pérdida

h Altura de la parte de arriba del menisco formado por la placa

Wilhelmy

h0 Espesor del cristal de cuarzo

heff Espesor de la capa adsorbida

Abreviaturas y Símbolos iii _______________________________________________________________________________________________________________________________

hop Espesor de la película en elipsometría

HPLC/MS Cromatografía líquida de alta resolución-espectrometría de masas

IRF Función de respuesta del instrumento

ka Constante de velocidad del proceso de adsorción

kd Constante de velocidad del proceso de desorción

kbe Coeficiente cinético relacionado con la recombinación de carga al

estado excitado a partir de estados atrapados de carga en QDs

kbg Coeficiente cinético relacionado con la relajación al estado

fundamental desde estados atrapados de carga en QDs

kct Coeficiente cinético relacionado con la transferencia de carga en

orbitales de ligandos en QDs

kdg Coeficiente cinético relacionado con la relajación al estado

fundamental desde defectos superficiales en QDs

ked Coeficiente cinético relacionado con la captura de carga en

defectos superficiales de QDs

kr Tasa de recombinación radiativa

KL Constante de equilibrio de Langmuir

LB Langmuir-Blodgett

LC Fase de Liquido Comprimido

LE Fase de Liquido Expandido

LED Dispositivo de emisión de luz

MM2 Mecánica molecular

Mr Masa molecular relativa

m-s-m Número de átomos de carbono de la cadena hidrocarbonada (m) y

del separador (s) de un tensioactivo geminal

n Número de monómeros en un polímero

n Índice de refracción

N.A. Apertura numérica

ni Índice de refracción del medio "i"

iv Abreviaturas y Símbolos _______________________________________________________________________________________________________________________________

nj Cantidad del compuesto j

NPs Nanopartículas

OTS Tricloro Octadecil Silano

P Presión

p Perímetro de la placa Wilhelmy

PCB Bifenilos policlorados

PL Fotoluminiscencia

PMAO Poli(anhídrido maleico-alt-1-octadeceno)

PS-MA-BEE Estiren-anhídrido maleico-ácido 4-etoxi 4-oxo-2-butenoico

PSS Poliestiren sulfonato

QCM-D Microbalanza de Cristal de Cuarzo con Disipación

QDs Quantum Dots

QDTOPO QDs recubiertos de TOPO

QWP Placa de cuarto de onda

r Coeficiente de reflexión de Fresnel

R Coeficiente de reflexión total

R(ti) Residuales ponderados

RCA Radio Corporation of America

RDD Radio de Förster para la transferencia de energía dador-dador

RDF Función de Distribución Radial

RDT Radio de Förster para la transferencia de energía dador-trampa

rpm Revoluciones por minuto

S Fase sólida

S Coeficiente de mojado

SHG Generación del segundo armónico

S(t) Contribución de la emisión desde los estados excitónicos sometida

a procesos de recombinación de los estados con carga atrapada

SEM Microscopía Electrónica de Barrido

ShiftIRF Desplazamiento de tiempo entre el IRF y el decaimiento

Abreviaturas y Símbolos v _______________________________________________________________________________________________________________________________

t Tiempo

tq Espesor del plato de cuarzo

T Temperatura

T Transmitancia

TCSPC Time-Correlated Single Photon Counting

Td Temperatura de desorción

TEM Microscopía de Transmisión Electrónica

TOP Trioctilfosfina

TOPO Óxido de trioctilfosfina

TOPSe Seleniuro de trioctilfosfina

TTTR Modo Time-Tagged Time-Resolved

UV Ultravioleta

UV-vis Ultravioleta-Visible

V Potencial Superficial

VSFG Espectroscopia vibracional de suma de frecuencias

V(z) Energía potencial

W Peso

Xi Fracción molar del componente i

Yi Fracción molar del componente i

z Distancia entre la sonda y la muestra en medidas de AFM

β Espesor de fase de la película

Γ Concentración superficial

Γ Concentración superficial de equilibrio

Γ(t) Concentración superficial a un tiempo t

Γmax Concentración superficial máxima

γ Tensión superficial

γ0 Tensión superficial de la subfase líquida

γi/j Tensión interfacial entre los componentes i y j

Δ Cambio de fase relativo

vi Abreviaturas y Símbolos _______________________________________________________________________________________________________________________________

δ Cambio de fase entre las componentes paralela y perpendicular

δ1 Espesor de la capa

ΔD Cambio de Disipación

Δf Cambio de Frecuencia

Δℓ Espesor de la película

Δm Cambio de masa sobre el sensor de cuarzo

Permitividad relativa del medio

0 Elasticidad superficial de equilibrio

0 Permitividad eléctrica del vacío

1s Coeficiente de extinción molar del primer pico excitónico de

absorción

max Elasticidad superficial de equilibrio máxima

η1 Viscosidad de la capa adsorbida

η2 Viscosidad del líquido

θ Ángulo de contacto entre la subfase y la placa Wilhelmy

θ Recubrimiento de QDs por unidad de cadena hidrocarbonada

θB Ángulo Brewster

θi Ángulo incidente

θr Ángulo refractado

λ Longitud de onda

µ1 Elasticidad de cizalla

µi Momento dipolar del componente i

µn Componente normal del momento dipolar (Sonda Kelvin)

µα Contribución del momento dipolar en la interfase aire-película

µβ Contribución del momento dipolar en la interfase película-agua

ν Número de armónico de frecuencia

π Presión superficial

0 Densidad del cristal

Abreviaturas y Símbolos vii _______________________________________________________________________________________________________________________________

1 Densidad de la capa adsorbida

2 Densidad del líquido

eff Densidad efectiva de la película

D Densidad de dadores

T Densidad de trampas

σ Contribución relativa al decaimiento de PL

σ Densidad superficial de carga en la Sonda Kelvin

τ Tiempo del decaimiento

τ1 Tiempo característico del proceso de adsorción

τ2 Tiempo característico del procesos de reorganización

τAV Tiempo de vida promedio

τD Tiempo de vida del dador en QDs

τi Tiempo de vida de la componente i del decaimiento

τr Tiempo de vida radiativo

υq Velocidad de onda en el plato de cuarzo

i Ángulos de incidencia y refracción en la ecuación de Fresnel

φ Ángulo de fase

χ2 Chi-cuadrado

Ψ Cambio de amplitud relativa

0 Contribución de la doble capa eléctrica formada por debajo de la

interfase

ω Frecuencia angular

Reflectancia

Specific ion effects on the properties of cationic Gemini surfactant monolayers

T. Alejo, M.D. Merchán, M.M. Velázquez ⁎Departamento de Química Física, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad de Salamanca, 37008 Salamanca, Spain

a b s t r a c ta r t i c l e i n f o

Article history:Received 12 July 2010Received in revised form 3 March 2011Accepted 9 March 2011Available online 22 March 2011

Keywords:Cationic Gemini surfactantLangmuir monolayersLangmuir–Blodgett filmsHofmeister effectAtomic force microscopyBrewster angle microscopy

The effects of some anions of theHofmeister series and different divalent cations of alkaline earthmetals on theproperties of Langmuirmonolayers of the cationic Gemini surfactant ethyl-bis (dimethyl octadecylammoniumbromide) have been investigated. Surface pressure and potential isotherms at the air–water interface wereobtained on aqueous subphases containing sodium salts with several anions of the Hofmeister series (Cl−,NO3

−,Br−, I−,ClO4−, and SCN−). The influence of the investigated anions on the monolayer properties can be

ordered according to the Hofmeister series with a change in the order between bromide and nitrate anions. Onthe other hand, for a given anion, the cation of the salt also influences the surface properties of the Langmuirfilms. The monolayers can be transferred onto mica by the Langmuir–Blodgett technique and then theLangmuir–Blodgett films were characterized by atomic force microscopy (AFM). The AFM images show thatthe molecules become more closely packed and nearly vertical to the surface when anions screen the electriccharge of the surfactant molecules.

© 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction

Recently, studies of surface properties of simple electrolyte haverenewed attention because they play a key role in the surfacechemistry of the atmosphere aerosol [1] as well as in many areas ofthe Physical Chemistry such as electrochemistry, catalysis, drugavailability or ion separation [2].

Thefirst studies of surfaceproperties of simple electrolytes dealtwiththermodynamic properties and they indicated that the surfaces areformed by an ion-free water layer [3]. In contrast, the most recentexperimentsusingvibrational sumfrequencyspectroscopy (VSFG) [4–6]along with molecular dynamic simulations [7–9] show that largepolarizable anions reside in the surface region. The VSFGmeasurementsalso showed that the divalent counter-cations of salts play an importantrole concerning to the propensity of anions for the air–water interface[10,11]. This fact raises some important questions related to interactionsbetween ions present in the subphase and molecules adsorbed at theinterface. These interactions are ofmajor importance in themanufactureof high-quality Langmuir–Blodgett films (LB films) with potentialapplications in thin film technology [12]. One of the main difficulties inbuilding materials for molecular electronic is that high intermolecularorganization is necessary to achieve the desired properties. One possibleapproach to create such molecular order is amphiphilic self-assemblyinto a monolayer on saline aqueous subphases followed by Langmuir–Blodgett transfer. Thus, when ions are present in the subphase, the

surfactant monolayer usually becomes more ordered [13] and transfersmore easily to solid substrates (LB films) [14]. Aggregates with differentstructure have been observed in monolayers prepared on subphasescontaining divalent ions [15,16]. These self-assembly systems areinteresting from the fundamental point of view [17] and fromtechnological applications [18,19].

In order to gain insights in the effects of specific interactionsbetween anions and surfactants on the structure and properties ofLangmuir and LB films of surfactants, we study the effects of differentanions of the Hofmeister series on both the Langmuir and the LB filmsof the cationic Gemini surfactant ethyl-bis (dimethyl octadecylam-monium bromide), abbreviated as 18-2-18.We also study the effect ofdivalent cations in the gradient concentration of anions near thesurface. We chose the cationic surfactant 18-2-18 because Geminisurfactants provide a high surface activity relative to the correspond-ing monocatenary surfactants [20] and can be used as templates forpreparation of nanomaterials [21]. The behavior of water-solubleGemini surfactants in solutions and at the air–water interface hasbeen thoroughly investigated and an interesting review of results wascarried out by Zana [22]; however, the properties of Gemini insolublemonolayers have received less attention [23–28] although they arepromising candidate as component in technological applications suchas energy-storage or liquid-crystal devices.

2. Materials and methods

2.1. Materials

Gemini surfactant 18-2-18, Scheme 1, was synthesized using themethoddescribedbyZanaet al. [29]with somesignificantmodifications

Thin Solid Films 519 (2011) 5689–5695

⁎ Corresponding author at: Departamento de Química Física, Facultad de CienciasQuímicas, Universidad de Salamanca, Plaza de los Caídos s/n, 37008 Salamanca, Spain.Fax: +34 923294500x1547.

E-mail address: [email protected] (M.M. Velázquez).

0040-6090/$ – see front matter © 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.doi:10.1016/j.tsf.2011.03.018

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Thin Solid Films

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introduced in order to improve the purity of the product. Modificationsintroduced are recrystallization of the product from mixtures ofchloroform and acetonitrile, and purification by column chromatogra-phy (silica gel, eluent: acetone and methanol). The product wascharacterized by mass spectrometry and nuclear magnetic resonanceto guarantee a degree of purity N99.9%, necessary for the correctinterpretation of surface experiments.

Chloroform (PAI, filtered) used to prepare the spreading solutionswas from Sigma-Aldrich. Millipore Ultra pure water prepared using acombination of RiOs and Milli-Q systems from Millipore was used toprepare the saline subphases. The salts of high purity were purchasedfrom Sigma-Aldrich and baked for 48 h at 300–500 °C to removetraces of organic compounds. The salt concentration dissolved in thesubphase ranged from 0.01 M to 1 M. The LB substrate muscovite(mica) quality V-1 was supplied by EMS (USA). The mica surface wasfreshly cleaved before use.

2.2. Preparation of Langmuir monolayers and Langmuir –Blodgett films

The surface pressure measurements were performed on twocomputer-controlled Teflon Langmuir film balances, Minitrough andStandard KSV2000-2 (KSV, Finland). The surface pressure was mea-sured with a Pt-Wilhelmy plate connected to an electrobalance. Thetemperature is controlled by flowing thermostated water throughjackets at the bottom of the trough. The water temperature wasmaintained by means of the thermostat/cryostat Lauda Ecoline RE-106.The temperature near the surface was measured with a calibratedsensor from KSV.

In order to confirm the stability of the monolayer, two differentforms for preparing the monolayers were used. In the first one thesurface concentration was changed by subsequent additions of thesurfactant solutions on the liquid/air interface using a micrometerHamilton syringe. The syringeprecision is 1 μL. The surface pressurewascontinuouslymonitored, and the equilibrium valuewas takenwhen thesurface pressure remained constant for at least 10 min. In the secondway, the monolayers were symmetrically compressed by moving twobarriers under computer control after the spreading of the surfactantsolution. The compression rate was 5 mm/min. The spreading solutionsof concentration around 5×10-4 M were prepared on chloroform byweight using an analytical balance precise to 0.01 mg.

A KSV2000 System 2 for LB deposition was also used. Themonolayer was transferred to the solid substrate by symmetriccompression at barriers speed of 5 mm/min, with the substrate intothe trough by vertically dipping it at 5 mm/min.

2.3. Surface potential measurements

The surface potential ΔV was measured in the Teflon LangmuirMinitrough (KSV, Finland). A Kelvin probe KSVSPOT from KSV locatedapproximately 2 mm above the aqueous surface was used. KSVSPOT isbased on the non-contact vibrating plate capacitor method with thereference electrode placed in the subphase. The surface potential ofmonolayers was determined relative to the surface potential of thesupporting electrolyte and of water if no salt was added to thesubphase. Each reported value is an average over five measurementsand the standard deviation of these measurements was consideredthe experimental error.

2.4. Brewster angle microscopy (BAM)

The morphology of Gemini surfactant layers at the air–waterinterface was observed using a Brewster angle microscope BAM(Optrel BAM 3000 from KSV) mounted on the Teflon Langmuirthrough Standard KSV2000-2 (KSV, Finland). The microscope uses ahelium–neon laser of 10 mW (632.8 nm) and a digital camera modelKam Pro-02 (768×494 pixels) from EHD.

2.5. Atomic force microscopy (AFM)

AFM images of the LB films of 18-2-18 on mica substrates wereobtained in constant repulsive force mode by AFM (Nanotec Dulcinea,Spain) with a rectangular microfabricated silicon nitride cantilever(Olympus OMCL-RC800PSA) with a height of 100 μm, a Si pyramidaltip and a spring constant of 0.73 N/m. The scanning frequencies wereusually in the range between 0.5 and 2.0 Hz per line. The measure-ments were carried out under ambient laboratory conditions.

3. Results and discussion

3.1. Characterization of 18-2-18 monolayer at the air/water interface

The surface pressure-molecular area isotherms were performed at293 K, under the desorption temperature, Td=302 K [30]. Thepressure-area isotherms obtained by subsequent additions andsymmetric compression for monolayers on water subphase arerepresented in Fig. 1a. As can be observed the isotherms agree witheach other until the monolayer collapse. Above this pressure, thesurface pressure of the monolayer obtained by compression is higherthan that obtained by addition. Similar behavior was observed inmonolayers on saline subphases. Because we are not interested instudy states corresponding to monolayers collapsed we obtained therest of the isotherms by symmetric compression.

The monolayers can exist in different states that can bedetermined in terms of the equilibrium elasticity modulus [31].According to it, we calculate the equilibrium elasticity modulus of the18-2-18 monolayer on water subphase from the pressure isotherms

and the equation: ε0 = ΓδπδΓ

� �T. Results are represented in Fig. 1b and

show that for molecular areas above 200 Å2 the elasticity modulus, ε0,gets a very small value characteristic of gas phase. BAM images in thisregion show different domains which are seen as stripes and circles,see Fig. 1d, and which disappear when the surface pressure increases,Fig. 1c. Hence, the region with low ε0 values was ascribed to a gas–liquid expanded phase coexistence region.

NH3C

H3C

N

CH3

CH3

BrBr

Scheme 1. Molecular structure of the cationic Gemini surfactant ethyl-bis (dimethyloctadecylammonium bromide), abbreviated as 18-2-18.

5690 T. Alejo et al. / Thin Solid Films 519 (2011) 5689–5695

The equilibrium elasticity modulus values from the liftoff to theonset of the collapse film are characteristic of liquid-expanded (LE)phase, indicating that during compression before the collapse thephase condensed does not appear. This fact was previously observedfor monolayers of bis (quaternary ammonium bromide) surfactantswith spacers larger than the one used in this work [27].

3.2. Characterization of 18-2-18 monolayer on saline subphases

In order to gain insights in the effect of saline subphases on theproperties of 18-2-18 monolayers, we study the effect of differentanions of the Hofmeister series dissolved in the subphase on theproperties of the surfactant monolayer. Firstly, we study the saltconcentration effects in themonolayer. Fig. 2 shows results for Geminimonolayers on NaBr aqueous subphases. As can be seen in Fig. 2 thearea per molecule decreases rapidly with increasing salt concentra-tion and it remains constant above 0.1 M of NaBr. Similar trend wasobserved for other salts. It is well established that the molecular areaof surfactants in monolayers is related to the balance betweenrepulsions and attractions. According to it, when the electric charge ofionic surfactant is screened, the repulsions between the surfactantmolecules decrease and monolayers become more compressed.Therefore, from our results it is possible to conclude that the additionof salts screens the surfactant and consequently the monolayerbecomes more compressed. To study the effect of anions of theHofmeister series, the anion concentration dissolved in the subphasewas kept constant in 0.20 M, using this concentration the surfactantmolecules at the interface are in their most compressed state. Fig. 3shows the isotherms corresponding to monolayers on subphasescontaining sodium salts of different anions. The isotherms in Fig. 3

were obtained at 293 K. The morphology of the isotherm is quitesimilar to the isotherm on water subphase; however, it becomesmore compressed according to the following order: waterbCl−bNO3

−

bBr−b I−bClO4−bSCN−. The equilibrium elasticity values were used

to identify the different states of the monolayers. The values foundshow that before the collapse the phase condensed does not appear.This behavior is similar to that observed for the monolayer on watersubphase. Fig. 4 shows the BAM images in the gas–liquid expanded(G–LE) regions for monolayers on subphases with different salts. If we

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.080

90

100

110

120

area

per

mol

ecul

e (Å

2 )

[NaBr] / M

Water

Fig. 2. Variation of the surfactant molecular area with the NaBr concentration dissolvedin the aqueous subphase.

Fig. 1. Surface pressure isotherms (a) obtained by addition (solid circles) and by symmetric compression (line) at 293 K. (b) Variation of the equilibrium elasticity with the surfactantsurface concentration. BAM images corresponding to: (c) LE and (d) G–LE. Image size: 350×270 μm. The arrows in the isotherm point to the monolayers observed by BAM.

5691T. Alejo et al. / Thin Solid Films 519 (2011) 5689–5695

compare these images with those corresponding to the same regionfor the monolayer on water, Fig.1d, it is possible to conclude that themorphology of domains is quite similar. As it happens in monolayerson water, Fig. 1c, BAM images for LE monolayers on saline subphasesdo not present aggregates (not shown).

The area per molecule extrapolated to zero surface pressure and themaximum equilibrium elasticity values for the LE state are collectedin Table 1. For comparative purposes the table also presents thecorresponding values for the monolayer on water subphase. The areaper molecule for the monolayer on water is 124 Å2. This value isconsistent with the molecular area for the same Gemini surfactant with3 methylene groups as spacer, 18-3-18, (1.28 nm2) [28]. In monolayers

preparedon saline subphases the areapermolecule decreases accordingto the series: waterbCl−bNO3

−bBr−b I−bClO4−bSCN−, and the max-

imum value of the equilibrium elasticity modulus increases in the sameorder. These facts can be attributed to the screening of the surfactantelectric charge by electrolytes dissolved in the subphase. Thus,when theelectric charge of the surfactant adsorbed at the interface is screened therepulsions between molecules decrease and the monolayers becomemore compressed, increasing the chain packing and the elasticity of themonolayer. Additional information about the influence of anions onmonolayers of 18-2-18 was obtained by means of surface potentialmeasurements. For the sake of clarity, we represent only some surfacepotential isotherms in Fig. 5.

80 90 100 110

0

10

20

30

75 100 125 150

0

10

20

30

π/ m

N m

-1

area per molecule (Å2) area per molecule (Å2)

efg

ab

c

d

Fig. 3. Surface pressure isotherms obtained for Langmuir monolayers of 18-2-18 on subphases containing 0.20 M of the indicated anions: a) water, b) chloride, c) nitrate, d) bromide,e) iodide, f) perchlorate and g) thiocyanate. The counter-cation was always Na+.

Fig. 4. BAM images of G–LE regions of 18-2-18 on different saline subphases. Image size: 350×270 μm.


Results in Fig. 5 show that the surface potential values are alwayspositive as correspond to a monolayer containing cationic surfactantmolecules. In addition, the surface potential at a given area decreaseswith the salt concentration dissolved in the subphase indicating thatanions compensate the charges of the surfactant molecules. Thesurface potential values for a given surface area follows the order:waterbCl−bNO3

−bBr−b I−bClO4−bSCN−. All these results indicate

that anions have different ability to compensate the electric charge ofthe surfactant. This behavior is consistent with the specific ion effectsobserved in other cationic monolayers [32]. Other specific anioneffects have been observed in the properties of monolayers of thezwitterionic surfactants [33–35].

From all these results, we can conclude that the effect of theaddition of salts to the aqueous subphase on the equilibriumproperties of surfactant monolayers depends on the ability of theanions to compensate the electric charge of the surfactant adsorbed atthe air–water interface. Our results demonstrate that the ability ofanions to screen the electric charge of the Gemini surfactant increasesin the order: Cl−bNO3

−bBr−b I−bClO4−bSCN−. This ordering is a

Hofmeister series, Scheme 2, with a change in the order betweenbromide and nitrate anions. The Hofmeister series was established toordering anions based on their ability to salt-out proteins fromaqueous solutions [36]. It is also known that a variety of processessuch as solubility of salts, zeta potential, electrolyte activities, criticalmicellar concentrations, colloidal stability, etc., follow this series [37].More recently, theoretical [7–9] and experimental results [4–6] haveillustrated the influence of the Hofmeister series on the propensity of

anions for the air–water interface. The experiments using VSFG [4]and normalized second harmonic generation spectroscopy (SHG) [38]indicated that the propensity of anions for the interface increases asthe Hofmeister series. On the other hand VSFG measurements havealso demonstrated the presence of NO3

− at the interface [10,11]. Thefact that the nitrate symmetric stretch can be observed by VSFG issignature of structural changes on the NO3

− adsorbed at the interfacebecause the symmetric stretch of the planar structure of NO3

− in bulk,D3h symmetry, is not VSFG active [10]. The structural change on thenitrate anions at the interface could be responsible of the observedinversion in the order between bromide and nitrate anions [37].

Vibrational sum frequency spectroscopy also showed that thedivalent counter-cations play an important role concerning to thepropensity of anions for the air–water interface [10,11]. Therefore,we study the effect of the addition of different divalent cations in thesubphase on the equilibrium properties of 18-2-18 monolayers.

Fig. 6 shows the surface pressure-molecular area isotherms for theGemini surfactant monolayers on subphases containing differentnitrate salts of the divalent cations; the salt concentration is always0.10 M.

As can be observed in the figure, the isotherms shift to lower areasper molecule as the cation size increases. The area per moleculeextrapolated to zero surface pressure in the LE region and themaximum of the equilibrium elasticity modulus values are collectedin Table 2. For the sake of comparison Table 2 also presents the valuesobtained for different perchlorate salts of divalent cations. Results inTable 2 clearly demonstrate that the monolayer becomes morecompressed according to the following orderMg2+bCa2+bSr2+bBa2+.The elasticity increases in a similarway to the decrease of themoleculararea of surfactant molecules at the interface. In addition, the surfacepotential at a given molecular area decreases following the same order(not shown). All these results indicate that the electric charge ofmonolayers of the Gemini surfactant is screened following the series:Mg2+bCa2+bSr2+bBa2+. This behavior shows the important role thatthe countercation plays in the propensity of a given anion for the air–water interface and it is consistent with theoretical [39] andexperimental [10,11] results concerning to the effects of cations onthe structure of air–aqueous interface.

Table 1Maximum equilibrium elasticity modulus and area per molecule values for 18-2-18 LEmonolayers on different subphases.

Subphase εmax/mN m−1 Area per molecule (Å2)

Water 60 124NaCl 75 113NaNO3 85 100NaBr 85 93NaI 100 92NaClO4 110 91NaSCN 120 89

100 200 300 400 500

0.0

0.2

0.4

0.6

area per molecule (Å2)

ΔV /

V

Fig. 5. Surface potential isotherms at 293 K of 18-2-18 monolayers prepared ondifferent subphases: (circles) water; (triangles) 0.20 M NaCl and (squares) 0.20 MNaClO4.

−−−−−−−−− <<<<<<<< SCNClOINOBrClHPOSOOHC 4324

24

3756

Scheme 2. The Hofmeister series of anions [36].

75 100 125 150 175

0

10

20

30

40

π/ m

N m

-1

a

e

d

c

b

area per molecule (Å2)

Fig. 6. Surface pressure isotherms for Langmuir monolayers of 18-2-18 on subphasescontaining different nitrate salts of different divalent cations: a) water, b) magnesium,c) calcium, d) strontium and e) barium. The salt concentration in the subphasesremains constant in 0.10 M.


3.3. AFM images of the Langmuir–Blodgett films

In order to test the influence of saline subphases on the properties ofLB films of the Gemini surfactant 18-2-18, Langmuir films wereprepared on water subphases without and with salts and then, were

transferred from the interface onto mica using the Langmuir–Blodgettmethodology. The morphology of LB films was observed by AFM. Fig. 7shows the images and the cross-section profiles of LB films preparedwith Langmuirmonolayers of 18-2-18 ondifferent subphases at distinctsurface pressures. The Fig. 7a presents the image of the LB filmconstructed from the Langmuir monolayer on water subphase corre-sponding to the LE state (π=19mN/m and Γ=1.4·10−6mol/m2). Theimage shows afilmwith height around0.8 nm. This height is lower thanthe length of the fully extended hydrocarbon chain of 18 methylenegroups (2.4 nm) [40], indicating that the surfactant molecules do notstand up at this surface pressure. This behavior is similar to thatpreviously observed for LB films of other Gemini surfactants [28].

We explore the effect of salts dissolved in the subphase on themorphology of LB films by transferring LE Langmuir monolayers ondifferent saline subphases with the same surface concentration of 18-2-18 than the one on water subphase (Γ=1.4·10−6mol/m2). Fig. 7b

Table 2Maximum equilibrium elasticity modulus and area per molecule values for 18-2-18 LEmonolayers on subphases containing different salts.

Subphase εmax/mNm−1 Area permolecule (Å2)

Subphase εmax/mNm−1 Area permolecule (Å2)

Water 60 124 Water 60 124Mg(NO3)2 62 122 Mg(ClO4)2 84 97Ca(NO3)2 65 115 Ca(ClO4)2 88 94Sr(NO3)2 68 102 – – –

Ba(NO3)2 75 98 Ba(ClO4)2 103 85

Fig. 7. AFM images of the LB films on mica for different 18-2-18 monolayers: a) on water subphase at surface pressure 19 mN/m; b) on aqueous subphase containing 0.10 M of Ba(NO3)2 at surface pressure 10 mN/m and c) on a saline subphase containing 0.10 M of Ba(ClO4)2 at 30 mN/m.


presents the AFM image and the cross-section profile of the LB filmbuilt on Ba(NO3)2 0.10 M. The image shows a quasi-homogeneousfilm of surfactant molecules with height between 2 and 2.5 nm, thisthickness is similar to the length of the fully extended chain of thesurfactant molecule. Similar trend was observed for the rest ofmonolayers on saline subphases, to illustrate this fact we present inFig. 7c the AFM image of a LB film constructed by transferring aconcentrated Langmuir film in the LE state (Γ=2.5·10−6mol/m2)prepared on Ba(ClO4)2 0.10 M. It is also interesting to notice thatbelow the collapse region even in the most concentrated monolayerswe do not detect the formation of micelles at the surface; thisbehavior is contrary to results found in monolayers of cationic Geminisurfactants with larger spacer than the 18-2-18 surfactant [26].

According to these results, it is possible to conclude that theAFM images of Langmuir–Blodgett films are consistent with theequilibrium properties of the Langmuir monolayers discussed inthe first part of this paper. Thus, the AFM images of LB films revealthat the LE monolayers of 18-2-18 become more closely packedand nearly vertical to the surface when the electric charge of thesurfactant molecules is efficiently screened by anions dissolved inthe aqueous subphase.

4. Conclusions

Anions in the aqueous subphases influence the surface behavior ofthe cationic Gemini surfactant ethyl-bis (dimethyl octadecylammo-nium bromide) according to the Hofmeister series with a change inthe order between bromide and nitrate anions. On the other hand, fora given anion, the counter-cation also influences the surfaceproperties of the Gemini surfactant films.

The 18-2-18monolayers can be transferred onto mica using the LBmethodology. AFM images of the LB films show that the surfactantmolecules become more closely packed and nearly vertical to thesurface when the anions screen the electric charge of the surfactanthead groups. Finally, it is interesting to notice that, conversely toresults obtained for LB films of bis-(quaternary ammonium halide)surfactants with spacers larger than the one used in this work, nomicellar aggregates at the interface were detected in 18-2-18 films.This result agrees very well with molecular dynamics simulationscarried out by other authors with other Gemini surfactants. Thus,molecular dynamics simulations showed that only surfactants withthe shortest spacers (≤3CH2) give stable monolayers while when thelength of the spacer increases, several surfactant molecules movefrom the interface to the primary monolayer below the interfaceexhibiting aggregate formation [41].

Acknowledgements

The authors thank financial support from ERDF and MEC (MAT2007–62666) and from Junta de Castilla y León (SA138A08). We alsothank Dr. J. Anaya (Departamento de Química Orgánica, Universidad

de Salamanca) for the help in the synthesis of the Gemini surfactant.The authors also acknowledge to Drs. J. J.A. Pérez-Hernández andJ. Hernández-Toro and to Ultra-Intense Lasers Pulsed Center ofSalamanca (CLPU) for the AFM measurements.

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Polymer/surfactant assisted self-assembly of nanoparticles intoLangmuireBlodgett films

T. Alejo a, M.D. Merchán a, M.M. Velázquez a,*, J.A. Pérez-Hernández b

aDepartamento de Química Física, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad de Salamanca, Plaza de los Caídos s/n, E-37008 Salamanca, SpainbCentro de Láseres Pulsados Ultraintensos (CLPU), E-37008 Salamanca, Spain

h i g h l i g h t s g r a p h i c a l a b s t r a c t

< Effect of the composition on the LBfilms of QDs/polymer.

< Effect of the composition on the LBfilms of QDs/Gemini surfactant.

< Dewetting mechanisms.

a r t i c l e i n f o

Article history:Received 1 August 2012Received in revised form5 November 2012Accepted 18 November 2012

Keywords:PolymersNanostructuresThin filmsAtomic force microscopy (AFM)Electron microscopy (SEM)

a b s t r a c t

We studied the ability of poly(octadecene-co-maleic anhydride) (PMAO) and a Gemini surfactant [C18H37

(CH3)2NþBr�e(CH2)2eNþBr�(CH3)2 C18H37] (18-2-18) to assist in the self-assembly process of CdSe

quantum dots (QDs) at the airewater interface. Results show that, while QD agglomeration is generallyinhibited by the addition of these components to the Langmuir monolayer of QDs, structure of the filmtransferred onto mica by the LangmuireBlodgett method is strongly affected by the dewetting process.Nucleation-and-growth of holes and spinodal-like dewetting were respectively observed in the presenceof either PMAO or 18-2-18. When PMAO/18-2-18 mixtures were used, both mechanisms were allowed;nevertheless, even in films prepared with mixtures of low polymer contents, characteristic morphologyfrom the polymer dewetting route prevailed.

� 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction

Self assembly is established as a very interesting technique inthe preparation of many different types of nanomaterials. Specifi-cally, thin films of soft matter can provide templates for the fabri-cation of devices based on QDs in an attempt to achieve sufficientlydispersed nanomaterials in which the agglomeration of nano-particles was minimized [1].

Many techniques and materials have been used in the prepa-ration of QDs with a focus on the optimization of self-assembledmonolayers. A common strategy employs a template to controlthe deposition during solvent evaporation. However, templatefabrication usually involves lithography processes, and this methodis often limited because special equipment is required. In this paper,we focus on the Langmuir Blodgett methodology (LB) to obtain self-assemblies of CdSe QDs. We chose this technique because it hasproved to be a versatile and interesting method to obtain thin filmswith a molecular density that can be readily modified by com-pressing or expanding the film using a barrier. The LB methodologyallows continuous variation of the particle density, spacing, and* Corresponding author. Fax: þ34 923294500x1547.

E-mail address: [email protected] (M.M. Velázquez).

Contents lists available at SciVerse ScienceDirect

Materials Chemistry and Physics

journal homepage: www.elsevier .com/locate/matchemphys

0254-0584/$ e see front matter � 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2012.11.058

Materials Chemistry and Physics 138 (2013) 286e294

even arrangement. Some dewetting processes have been observedin the preparation of the LB films; however, they can be used toachieve different patterns without a defined template [1e3].

Various attempts to immobilize QDs onto solids substrates by theLB technique have been reported offering the possibility of fabri-cating awide rangeof organic/inorganic LBfilms [3]. Themain effortsare focused on the preparation of fine dispersions of nanoparticlesinside polymers so that the photophysical properties of the nano-crystals are not affected [4]. However, the poor compatibility of theQDs with the polymers leads to agglomeration of the nanoparticlesinside the films even at low concentrations, these agglomeratesresult in a loss of the nanoparticle optical properties. Some theo-retical arguments have suggested that the interactions between self-organizing particles and a self assembling matrix material canproduce ordered structures [5]. Thus, diblock copolymers are knownto self-assemble spontaneously into structures on the orderof tens ofnanometers in length, and these structures can be transferred ontosubstrates by LB or dip-coating methods [6e8]. Specifically, someresearch revealed that the organization of nanoparticles is governedby molecular interactions between the diblock copolymers andnanoparticles that constitute the mixedmonolayers at the air/waterinterface [9,10]. Despite somesuccessful results,more effortsmust becarried out to develop nanometric structures that may provide newproperties associatedwith the reduction of thematerials size [11,12].With this objective in mind, we focus attention on the self-assemblyprocess of CdSe nanocrystals onto solid substrates assisted by thecopolymer poly (octadecene-co-maleic anhydride) (PMAO). Wechose this polymer because it has demonstrated to be a good stabi-lizerof CdSnanoparticles in formof reversedmicelles [13].Moreover,the PMAO-capped CdS nanoparticles have been efficiently trans-ferred from the airewater interface onto solids. On the other hand,the polymer PMAO showed high compatibility with magneticnanoparticles [14] and thinfilmsofPMAOwereusedwithQDs for thepreparation of biosensors [15].

Another way to improve the compatibility of QDs coated bytrioctylphosphine oxide (TOPO) with the airewater interface orwith the solid substrates is to replace TOPO by surfactant moleculessuch as 1-octadecanethiol (ODT) or oleic acid [16], or amphiphiliccompounds such as mercaptosuccinic acid (MSA) [17] and sodiumhexametaphosphate, which increases the adsorption of the nano-particles on the interfaces [18]. Gemini surfactants made of twosurfactant monomers linked by a spacer chain display excellentamphiphilic properties such as high adsorption capacity on solidsurfaces, which make them excellent candidates to stabilizenanoparticles in aqueous medium [19,20], to assist in the self-assembly process [21e24] and in the growth of nanoparticleswith a defined geometry [25]. Accordingly, we are interested inexploring the effect of a Gemini surfactant on the self-assemblyprocess of QDs adsorbed on mica. Therefore we chose thecationic Gemini surfactant ethyl-bis (dimethyl octadecylammo-nium bromide), referred to as 18-2-18 hereafter, to prepare mixedLangmuir monolayers with QDs and to transfer these monolayersonto mica by the LB methodology. In a previous work we showedthat the LB films of 18-2-18 are constituted by surfactant moleculesadsorbed on the solid interface leading to a uniform and continuousfilm indicating that the surfactant spreads well [26] and conse-quently, we hope that the surfactant improves the QDs adhesion onthe solid substrate.

Finally, it is well established that mixtures containing polymerand surfactant molecules provide synergistic effects in the aggre-gation process of thesemolecules in solution [27] and in the surfaceproperties of themonolayers [28e33].We expect to find synergisticeffects on the self-assembly of QDs at the interface by means ofmixtures of the polymer PMAO and the Gemini surfactant 18-2-18.Therefore, looking towards synergy in the molecular interactions

between PMAO/Gemini and QDs, we analyze the structure of filmsobtained by transferring Langmuir monolayers composed byPMAO, 18-2-18 and CdSe QDs from the airewater interface ontosolids by the LB methodology. Taking into account that smallchanges on the surface composition lead to structures withdifferent architectures, we address the study to evaluate the effectof the surface composition on the self-assembly process at theinterface to prepare LB films with different morphologies. Accord-ing to the objectives proposed, the work is organized in two parts.First, we deal with the study of two-component Langmuir systemscontaining PMAO or 18-2-18 Gemini surfactant and CdSe QDs, andsecond, the properties of films composed by mixtures of the threecomponents are analyzed. Because the preparation of LB filmsrequires the knowledge of the Langmuir monolayers precursors ofthese films, we previously studied the properties of Langmuirmonolayers by recording the surface pressure and elasticityisotherms. Finally, we evaluate the morphology of the LB films byAFM, SEM and ellipsometry.

2. Materials and methods

2.1. Materials

Gemini surfactant ethyl-bis (dimethyl octadecylammoniumbromide), 18-2-18, (Mr ¼ 783.02) was synthesized using themethod described by Zana et al. [34] with some modifications inthe purification procedure we introduced to improve the purity ofthe product [26]. The product was characterized by mass spec-trometry and nuclear magnetic resonance to guarantee a degree ofpurity >99.9%, necessary for the correct interpretation of surfaceexperiments. Polymer poly (maleic anhydride-alt-1-octadecen),PMAO (Mr ¼ 40 kDa) was purchased from SigmaeAldrich andwas used without purification.

The hydrophobic CdSe QDs were synthesized by the methodproposed by Yu and Peng [35]. This method uses cadmium oxideand Se powders as precursors. First, cadmium oxide, oleic acid andoctadecene were loaded into a flask with a condenser assemblyunder Ar flow and agitation. The mixture was heated to 210 �Cobtaining a clear and colorless solution and then the solution oftrioctylphosphine selenide was injected. Nucleation and growth ofthe CdSe QDs occurred until the desired particle size was reachedby controlling both the temperature and the reaction time. QDswere collected as powder by size-selective precipitation withacetone and dried under vacuum. The QD size (3.4 � 0.1 nm) wasdetermined by the position of the maximum of the visible spec-trum of the QDs dispersed in chloroform [36]. The concentration ofnanocrystals was calculated from the UVevis absorption spectrumof QDs dissolved in chloroform by using the extinction coefficientper mole of nanocrystals at the first excitonic absorption peak [36].UVevis absorption spectra of QDs dissolved in chloroform wererecorded on a Shimadzu UV-2401PC spectrometer.

Chloroform (PAI, filtered) used to prepare the spreading solu-tions was from SigmaeAldrich. Millipore ultra pure water preparedusing a combination of RiOs and Milli-Q systems from Milliporewas used as subphase. The LB substratemuscovite (mica) quality V-1 was supplied by EMS (USA). The mica surface was freshly cleavedbefore use. The solid substrate Si (100) wafers were used withoutpretreatment to obtain the ellipsometric measurements and weresupplied by Siltronix (France).

2.2. Preparation of Langmuir monolayers and LangmuireBlodgettfilms

The surface pressure measurements were performed on twocomputer-controlled Teflon Langmuir film balances, Minitrough

T. Alejo et al. / Materials Chemistry and Physics 138 (2013) 286e294 287

and Standard KSV2000-2 (KSV, Finland). Spreading solution(1 � 10�4 M) was deposited onto water subphase using a Ham-ilton microsyringe. The syringe precision is 1 mL. The surfacepressure was measured with a Pt-Wilhelmy plate connected toan electrobalance. The subphase temperature was maintained at(20.0 � 0.1) �C by flowing thermostated water through jackets atthe bottom of the trough. The water temperature was controlledby means of thermostat/cryostat Lauda Ecoline RE-106. Thetemperature near the surface was measured with a calibratedsensor from KSV. Langmuir monolayers were transferredby symmetric barrier compression (5 mm min�1) with thesubstrate in the trough by vertically dipping it up at a rate of5 mm min�1.

The film composition at the airewater interface is expressed asfollows: when the film is composed of two components, thepolymer or surfactant matrix and the QDs nanoparticles, thecomposition is expressed as mole fraction of PMAO or Gemini atthe surface, XPMAO or XGemini, respectively: XPMAO or Gemini ¼ nPMAO

or Gemini/(nPMAO or Gemini þ nQD). In contrast, when the matrixis composed of a binary mixture of PMAO and surfactant, allthe experiments were carried out by keeping constant thematrix mole fraction, XMatrix, XMatrix ¼ nPMAOþnGemini/(nPMAO þ nGemini þ nQD) at 0.98 and modifying the matrixcomposition. Accordingly, the matrix composition was expressedin terms of PMAO mole fraction, YPMAO, YPMAO ¼ nPMAO/(nPMAO þ nGemini). In these equations nGemini and nQD are theamount of Gemini surfactant and QDs, respectively, and nPMAO

represents the amount of polymer in terms of repeat unit.

2.3. Scanning electron microscopy (SEM)

A FEI Helios 450 dual-beam FIB/SEM was used to obtain imagesof the LB films with a supply to the electron beam between 5 and10 kV.

2.4. Atomic force microscopy (AFM)

AFM images of the LB films on mica substrates were obtained inconstant repulsive force mode by AFM (Nanotec Dulcinea, Spain)with a rectangular microfabricated silicon nitride cantilever(Olympus OMCL-RC800PSA) with a height of 100 mm, a Si pyra-midal tip and a spring constant of 0.73 N m�1. The scanningfrequencies were usually in the range between 0.5 and 2.0 Hz perline. The measurements were carried out under ambient laboratoryconditions.

2.5. Ellipsometry

Ellipsometric measurements were performed on a nullimaging ellipsometer (Nanofilm, model EP3, Germany) to deter-mine the refractive index and the thickness of the LangmuireBlodgett films. The incident Nd:YAG laser beam (l ¼ 532 nm)was focused on the LB films on silicon substrates positioned onthe goniometer plate at a fixed incident angle of 70�. Each samplewas measured in several regions to obtain representative values.The precision on the ellipsometric angles is ca. 0.0006. Theinterface was modeled with the three layers model previouslydescribed [37]. The first one is the Si substrate with a refractiveindex of 4.1264 and the second layer is a native oxide layer witha refractive index of 1.4653 [38,39], which were obtained in anellipsometry experiment using a clean Si wafer. The thickness andrefractive index of the QDs films on different matrix were ob-tained by fitting the ellipsometric angles, D and J, to Fresnelequation.

3. Results and discussion

3.1. Mixed monolayers and LangmuireBlodgett films of PMAO andCdSe QDS

With the purpose of organizing QDs into ordered two-dimensional (2D) arrays, we transferred mixed monolayers ofpolymer PMAO and CdSe QDs from the airewater interface ontomica by the LangmuireBlodgett (LB) methodology. We preparedfilms containing different surface composition, expressed in poly-mer mole fraction units, XPMAO, to evaluate the effect of thetemplates on the self-assembly process.

It is well established that the properties of mixed monolayersdepend on the spreading technique [31,40]. For two-componentmixtures, the methods used for Langmuir monolayers prepara-tion consist of spreading a solution containing both components,named co-spreading, and the spreading of the components sepa-rately. We tested these methodologies and found that in all casesthe isotherms are very stable, and the densest and most repro-ducible monolayers were obtained by the co-spreading method. Asthis behavior was observed for all the mixtures, this method waschosen to prepare the mixed Langmuir monolayers precursors ofthe LB films. This method proved to be the best one to obtain stablemixed monolayers of surfactant/polymers [31], polymer/nano-particles [41] and surfactants [40].

Fig. 1. (a) Surface pressure isotherms of PMAO/QDs mixed Langmuir monolayers atpolymer mole fraction of: 0.1 (1); 0.5 (2); 0.75 (3); 0.98 (4); pure PMAO (5). (b)Equilibrium surface elasticity modulus vs. surface pressure of PMAO/QDs mixedLangmuir monolayers at polymer mole fraction of: 0.1 (stars); 0.5 (rhombi); 0.75 (opencircles); 0.98 (triangles); pure PMAO (closed circles).

T. Alejo et al. / Materials Chemistry and Physics 138 (2013) 286e294288

Fig. 2. (a) AFM image of QDs transferred onto mica. (b) AFM image of PMAO transferred onto mica. SEM (c) and AFM (d) images of PMAO/QDs LB film at polymer mole fraction of0.50. Images obtained by ellipsometry (e) and AFM (f) of PMAO/QDs LB films at polymer mole fractions of 0.98. The Langmuir monolayers were transferred at the surface pressure of30 mN m�1.

Fig. 1a presents the isotherms of PMAO and PMAO/QDs mixedmonolayers. As can be seen in Fig. 1a, the morphology of thesecurves changes with the surface composition. To gain insight intothe states of the monolayers, we calculated the equilibrium elas-ticity modulus from the surface pressure isotherms and the equa-tion: 30 ¼ G(dp/dG)T [42]. Results are represented in Fig. 1b as a plotof 30 against the surface pressure values. The surface pressure andelasticity isotherms for the polymer PMAO presents a trend char-acteristic of polymeric monolayers in which the elasticity modulusincreases with the surface concentration until it reachesa maximum value. Beyond the maximum, 30 decreases because thepolymer molecules are too close and the conformational degrees offreedom of the polymer chains decrease, and as a consequence, theelasticity also decreases [31,38]. Before the maximum, 30 rises witha different rate below and above a given surface pressure value of4 mN m�1; at this surface pressure the 30 value is around98 mN m�1 and corresponds to the onset of the liquid condensed(LC) state.

In PMAO/QDs mixed monolayers, 30 drastically decreasescompared with the values of the polymer monolayer. This behavioris observed even in monolayers with small concentrations of QDs,XQD ¼ 0.02. In contrast to PMAOmonolayer, the elasticity values forthe mixed PMAO/QDs monolayers correspond to liquid expandedstates (LE). This behavior points to an interdigitation of the polymerchains with the QDs stabilizer (TOPO). Thus, the interdigitation ofPMAO and QDs avoids the interaction between the polymermolecules avoiding the formation of the polymer LC state.

Langmuir films were transferred at a surface pressure of30 mN m�1 from the airewater interface onto solid substrates bythe LB methodology. We use this surface pressure because wewantto obtain high coverage in the QDs LB films. Moreover, 30 mN m�1

matches with the maximum elasticity of the polymer monolayerwhere one expects to achieve the maximum arrangement of thenanoparticles on the polymeric matrix. The morphology of the LBfilms was analyzed by ellipsometry, SEM and AFM.

Fig. 2 presents the images obtained using different techniques ofseveral mixed PMAO/QDs LB films. For the sake of comparison theAFM image and the roughness obtained from AFM of the LB film ofthe two separate components, QDs and PMAO, at 30 mN m�1 arecollected in Fig. 2a and b, respectively. As can be seen in Fig. 2a, QDsform agglomerates with different roughness. This behavior wasreferred previously [10] and it was related to the weak interactionsbetween the hydrophobic chains of the QDs stabilizer (TOPO) andthe solid substrate, mica. The LB film of PMAO presents some holesproduced by dewetting process. The growth of holes appears whenthe gravity contribution dominates over the interfacial energy andthe van der Waals forces. In this situation, the film breaks and thematerial is displaced to the rims of holes [43].

Results in Fig. 2 show that the addition of the polymer PMAOincreases the surface coverage of QDs. This fact can be interpretedif one considers that the QDs can be adsorbed on the polymer byattractive interactions between the polymer chains and the QDsstabilizer, TOPO, improving QDs adhesion on the solid wafer. Theimages in Fig. 2 support the idea of an evolution in themorphology of the QDs films as a function of the PMAO surfacecomposition. Fig. 2c presents the SEM image of the monolayer atXPMAO ¼ 0.50. The figure shows an apparently well-organizedhexagonal mosaic, which when observed at a smaller scale (seeFig. 2d), shows the coexistence of different kinds of aggregates,open hexagonal structures and agglomerates. The hole size of thehexagonal domains was measured from the SEM and AFM imagesby taking an average of 25 holes per sample and the statisticalresults are presented in Table 1. The roughness determined fromAFM profiles depends on the aggregates chosen. It is interestingto note that the roughness of rims around the holes was 3 nm and

it is compatible with the diameter of the CdSe QDs dissolved inchloroform (3.4 nm). The thickness value obtained by ellipsom-etry was (5.0 � 0.3) nm and it is slightly higher than theroughness determined by AFM. This can be interpreted if oneconsiders that ellipsometry analyzes a much larger region thanAFM, and the thickness value determined by ellipsometry is theaverage of the thicknesses of different aggregates in the selected

Table 1Average hole and rim size values of hexagonal domains observed in LB films.

Hole sizea

Matrix XMatrix X-direction/mm Y-direction/mm Rim size/mm

PMAO 0.50 2.1 � 0.5 1.7 � 0.70.75 1.2 � 0.21 1.1 � 0.40.98 0.16 � 0.09 0.14 � 0.06 0.10 � 0.02

PMAO/GeminiYPMAO ¼ 0.1

0.98 1.1 � 0.7 1.0 � 0.6 0.17 � 0.06


0.98 0.6 � 0.3 0.4 � 0.1 0.33 � 0.08


0.98 0.5 � 0.3 0.5 � 0.3 0.15 � 0.05


0.98 0.8 � 0.5 0.6 � 0.3 0.17 � 0.05

a Reported values are averages and error represents the standard deviationdetermined from at least 25 surface features

0.01 0.1 10

30

60

4321

a

0 20 40 60

0

50

100

π / m

N m

-1

ΓGemini

/ mg m-2

π / mN m-1

ε 0 / m

N m

-1

b

Fig. 3. (a) Surface pressure isotherms of Gemini/QDs mixed Langmuir monolayers atsurfactant mole fraction of: 0.5 (1); 0.75 (2); 0.98 (3); pure Gemini (4). (b) Equilibriumsurface elasticity modulus vs. surface pressure of Gemini/QDs mixed Langmuirmonolayers at surfactant mole fraction of: 0.5 (squares); 0.75 (closed circles); 0.98(triangles); pure Gemini (open circles).


region. When the polymer concentration is further increased untilXPMAO ¼ 0.98, a continuous film of QDs is observed. An illustrativeexample of this fact is the image obtained by the ellipsometerpresented in Fig. 2e. The AFM image, Fig. 2f, allows us to observein detail the film structure. The image in Fig. 2f shows thematerial accumulation in the rims delimiting a hexagonalnetwork. The diameter of the holes was 0.16 mm and the rimroughness value was w3 nm, compatible with the QDs diameterin solution. The formation of mosaics has been studied boththeoretically and experimentally and was attributed to the dew-etting processes; in this system the morphology of the mosaicpoints to the mechanism referred to as nucleation and coales-cence of holes [43]. In this mechanism, the gravity contributiondominates and the process starts with the nucleation of holes atdefect sites of the film and the subsequent displacement ofmaterial away from the nucleus. The material is accumulated in

the rims of holes delimiting a mosaic [44e46]. A theoreticalmodel based on the cell dynamic method proposed the formationof hexagonal networks in films of block copolymers and nano-particles when the nanoparticle concentration was w3.2% [47,48].Our results are consistent with this model because a continuousand uniform film composed by hexagonal features are observedat XQD ¼ 0.02. Our work extends the surface composition range ascompared with previous work [47,48], demonstrating that whenthe QDs mole fraction increases above 0.25, the polydispersity ofthe holes in the network increases and at XQD � 0.50, thehexagonal network coexists with agglomerates of QDs. Theseagglomerates predominate when the QDs concentration increasesabove 0.9, XQD � 0.9. This behavior indicates that at a given QDsconcentration, the attractive interactions between the QDs startto drive the adsorption on the solid substrates leading to the QDsagglomeration.

Fig. 4. (a) AFM image of Gemini surfactant transferred onto mica. Images obtained by AFM of Gemini/QDs LB films at surfactant mole fraction of: (b) 0.50; (c) 0.75 and (d) 0.98. TheLangmuir monolayers were transferred at a surface pressure of 30 mN m�1.


3.2. Mixed films of the Gemini surfactant 18-2-18 and QDs

An alternative methodology to modulate the QDs self-assemblyconsists in coating themwith surfactant molecules [18e21,24e26].We want to explore this alternative transferring mixed Langmuirmonolayers of the cationic Gemini surfactant 18-2-18 and QDs fromthe airewater interface onto mica substrate. We chose thissurfactant because it has the same hydrocarbon chain length (C18)as the polymer PMAO but a different hydrophilic head group thatcould drive the self-assembly process in a different way. On theother hand, the surfactant 18-2-18 forms homogeneous LB films onmica indicating important interactions with the solid substrate[26]. This fact can improve the adhesion of QDs on the substrate.

Previously to the LB deposition the surface pressure isothermsof different mixtures were recorded, as shown in Fig. 3a. Forcomparative purposes the isotherms are represented in terms ofsurfactant concentration expressed as mg m�2 to maintain thesame units as in the polymer isotherms. Fig. 3b presents the elas-ticity isotherms against the surface pressure values. As can be seenin Fig. 3a, the most compressed monolayer corresponds to the puresurfactant. The saturation pressure reaches the highest values forthe isotherms with low QDs concentration (XGemini � 0.98).

The elasticity value of the surfactant monolayer increases as thesurfactant concentration increases and it reaches a maximumvalueat 30 mN m�1, as shown in Fig. 3b. Beyond the maximum, theelasticity decreases due to the decrease of the conformationaldegrees of freedom of the surfactant molecules [31,38]. The addi-tion of QDs to the monolayer decreases the elasticity of thesurfactant monolayer. This behavior is compatible with thedecrease of the conformational degrees of freedom of the surfac-tant molecules, probably due to the QDs adsorbed on the surfactantchains.

The surfactant/QDs films were transferred from the airewaterinterface onto mica by the LB method. For the sake of compar-ison, the surface pressure of the Langmuir monolayer transferredwas 30 mN m�1. Images obtained by ellipsometry, SEM and AFM ofrepresentative LB films are collected in Fig. 4. The AFM image of thesurfactant LB film is presented in Fig. 4a and shows a continuousfilm of surfactant molecules of roughness w2 nm. This value isclose to the length of the fully extended chain of the surfactantmolecule 2.4 nm [27].

Fig. 4bed show that the surfactant 18-2-18 also increases thesurface coverage of QDs and the explanation is quite similar to thatproposed to interpret this behavior in PMAO/QDs films, i.e. the QDsstabilizer (TOPO) interacts with the surfactant chains and the headgroup of the surfactant favors its adsorption on the solid. The AFMimages in Fig. 4bed, show that in mixed surfactant/QDs films, theQDs aggregate in domains of different shapes and that the densityof domains increases as the surfactant concentration in themonolayer increases. Comparison between the self-assemblies ofPMAO/QDs and surfactant/QDs films shows that the morphologiesare quite different pointing to a different dewetting mechanism.Thus, the PMAO/QDs films are constituted by hexagonal networks,while the surfactant/QDs mixed films present some arrays ofdroplets. The morphology of the surfactant/QDs mixed films waspreviously observed for films in which the gravitational energy isnegligible compared with the capillary effects. In this mechanism,referred as spinodal dewetting, the capillary waves break the filminto nanostructures when the amplitude of the capillary wavesexceeds the thickness of the film [49]. Differences observed in thedewetting mechanism of PMAO/QDS and surfactant/QDs films canbe related with the different molecular weights of the matrix. Thusthe molecular weight of the polymer, 40 kD, is higher than the oneof the surfactant molecule (Mr ¼ 783.02); accordingly, one expectsthat the gravitational effects dominate in films containing the

polymer because it has a higher molecular weight than thesurfactant 18-2-18.

3.3. Three-component, PMAO/Gemini surfactant/QDs, mixed films

It is well established that polymer/surfactant mixtures presentimportant synergistic effects on the surface properties [28e33] andon the self-assembly processes [27]. In the case of the surfactantand the polymer molecules used in this work, previous workdemonstrated that PMAO-surfactant (DODAB) [31] and Gemini 18-3-18 and stearic acid mixtures improve the properties of the purecomponent monolayers, giving a synergistic effect and highlypacked monolayers [50]. Therefore we are interested in assessingthe synergistic effect of the polymer PMAO and surfactant 18-2-18mixtures into the self-assembly process of QDs. With this objectivein mind, we studied the effect of polymer/surfactant matrixcomposition on the morphology of QDs LB films.

We worked with films prepared using a matrix composed ofbinary mixtures of PMAO and surfactant at different compositions,expressed as polymer mole fraction YPMAO. All the experimentswere carried out by keeping XMatrix constant at 0.98. We choose thisMatrix/QDs composition because this is the ratio that renders the

5,0x10-7

1,0x10-6

1,5x10-6

0

20

40

60

9

8

76

π / m

N m

-1

Γ / mol m-2

5

4321

0 20 40

0

60

120

π0 /

mN

m-1

π / mN m-1

a

b

Fig. 5. (a) Surface pressure isotherms of PMAO/Gemini/QDs three-component mixedmonolayers prepared by keeping XMatrix constant at 0.98 and the following matrixcomposition YPMAO: 0.1 (2); 0.2 (3); 0.33 (4); 0.5 (5); 0.60 (6); 0.67 (7) and 0.8 (8). Lines1 and 9 represent the isotherms of Gemini/QDs (1) and PMAO/QDs (9). (b) Equilibriumsurface elasticity modulus vs. surface pressure values calculated from the isotherms ofFig. 5a for different matrix compositions, YPMAO: 0.1 (closed circles); 0.2 (triangles);0.33 (open stars); 0.5 (closed squares); 0.6 (open triangles); 0.67 (closed stars) and 0.8(rhombi). The values represented by open squares and open circles correspond toGemini/QDs and PMAO/QDs monolayers.


highest QDs coverage using matrices prepared exclusively withPMAO or Gemini surfactant.

Fig. 5a presents the surface pressureeconcentration isothermsfor different mixed films and Fig. 5b shows the elasticity valuesagainst surface pressure plot of these films. The surface pressure/concentration isotherms of monolayers with mixed matrices arelocated between those prepared with matrices of one component,PMAO or the surfactant, when the matrix composition, YPMAO, isbelow 0.33. Above this value the isotherms are shifted to highersurface concentrations than that corresponding to the polymerPMAO/QDs. On the other hand, the elasticity isotherms in Fig. 5b,show a weak synergistic effect when the polymer mole fraction inthe matrix is above 0.33, reaching the highest values for mixedmonolayers with polymer mole fraction around 0.5 (YPMAO from 0.5to 0.67). From the results, it is possible to conclude that the orga-nization of molecules at the monolayer evolves with the matrixcomposition and renders the most condensed and elastic stateswhen the matrix composition, YPMAO, is around 0.5. Attractiveinteractions between the polymer and the surfactant molecules canbe responsible for this efficient packing.

We transferred Langmuir monolayers of these films from theairewater interface onto the solid substrate. The evolution of thedomains’ morphology with the concentration of PMAO in themixed matrices can be observed in Fig. 6. The AFM image in Fig. 6acorresponds to the LB film with YPMAO ¼ 0.1, and it shows thepresence of different kinds of domains, hexagonal network andagglomerates. Magnification of these domains is presented inFig. 6b and c, respectively. As can be seen in Fig. 6b and c, thearchitecture of these domains is similar to those observed inmonolayers of PMAO/QDs and surfactant/QDs, respectively. Thisfact means that the two different dewetting mechanisms detectedin the PMAO/QDs and Gemini/QDs mixed films can be observed inthe films containing mixed matrices with YPMAO � 0.3. As expected,when the polymer composition in the matrix increases, the dew-etting process characteristic of the polymer matrix becomes moreimportant and prevails over the dewetting mechanism corre-sponding to the surfactant matrix. This behavior is observed whenthe polymer concentration reaches the value of YPMAO ¼ 0.5, asshown in Fig. 6d and e. To gain insight into the effect of thecomposition on the structure of the hexagonal network, we havecarried out the statistical analysis of the dimensions of the holesand rims, as shown in Table 1. Comparison between the hole size offilms prepared with mixed PMAO/surfactant matrices and with thePMAO matrix shows that the polymer PMAO provides the smallestholes. Moreover, the rim size of PMAO/QDs films is also the smallestone. On the other hand, the holes corresponding to the hexagonalnetworks for LB films prepared with mixed matrices and YPMAOvalues around 0.5 present the lowest polydispersity degree.

We determined the roughness of the rims from the AFMprofiles. Results show that it is independent of the film compositionand the average value of 3e4 nm, is compatible with the diameterof the QDs dissolved in chloroform (3.4 � 0.1) nm. The thicknessvalue obtained by ellipsometry, (4.8� 0.3) nm, was also compatiblewith this value.

4. Conclusions

We have analyzed the effect of the surface composition on thestructure of QDs self-assemblies by modifying the Langmuirmonolayers precursors of the LB films. We chose the polymerPMAO and the cationic Gemini surfactant 18-2-18 as matrices toassist in the self-assembly process. Our results demonstrated thatthe QDs agglomeration is avoided by the addition of both thepolymer PMAO and the surfactant 18-2-18. Attractive interactionsbetween the chains of these compounds and the hydrophobic

Fig. 6. AFM images of LB films of PMAO/Gemini/QDs mixed monolayers prepared bykeeping XMatrix constant at 0.98 and the following polymer composition in the mixedmatrix: (aec)YPMAO ¼ 0.1; (d, e) YPMAO ¼ 0.5; (f) YPMAO ¼ 0.67 and (g) YPMAO ¼ 0.8. Thesurface pressure of the Langmuir monolayers precursors of the LB films was30 mN m�1.


moiety of the QDs stabilizer, TOPO, lead to the adsorption of QDs onthe matrices while the hydrophilic group of the polymer orsurfactant improves the QDs adsorption on the solid substrate,avoiding the nanoparticle agglomeration.

Our results also show two different film features depending onthe matrix composition. Thus, when the matrix is exclusivelycomposed of the polymer PMAO, a continuous network of hexag-onal domains with QDs adsorbed on the rims was observed. Incontrast, when the monolayer is built with a mixture of surfactantand QDs, an array of droplets was produced. The differences wereattributed to distinct dewetting processes, nucleation and growthof holes and spinodal dewetting, for PMAO/QDs and surfactant/QDsfilms, respectively.

Our results allow us to conclude that in films composed ofPMAO/Gemini mixed matrices, the dewetting mechanism charac-teristic of the polymer, namely coalescence of holes, prevailed overthe surfactant dewetting mechanism, spinodal mechanism, even infilms with small amounts of polymer PMAO in the matrix. This islikely due to the high molecular weight of the polymer comparedwith the one of the surfactant molecule. Thus, taking into accountthat the molecular weight of the polymer is around 50 times higherthan the surfactant one, and that the polymer dewetting mecha-nism is addressed by the gravitational effect, while the capillarywaves address the spinodal one, it is expected that the gravitationaleffect prevailed over the capillary waves even in films with smallamount of polymer.

Finally, our results show that is possible to modulate the self-assembly of QDs by modifying the surface composition of theLangmuir monolayer precursors of the LB films by the addition ofthe polymer PMAO or the Gemini surfactant 18-2-18. This strategycan be presented as a bottom-up reproducible methodology forpatterning at nanoscale.

Acknowledgments

The authors thank financial support from ERDF and MEC (MAT2010-19727). T. Alejo wishes to thank the European Social Fund andConsejería de Educación de la Junta de Castilla y León for her FPIgrant. We are grateful to the UIRC of the Universidad Complutensede Madrid for making available the ellipsometry facility, in partic-ular, JEF Rubio for the ellipsometric measurements. We also thankto Ultra-Intense Lasers Pulsed Center of Salamanca (CLPU) for theAFM measurements and to Dr B. Rodriguez and InternationalIberian Nanotechnology Laboratory (INL) for the FIB/SEM facility.

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Hindawi Publishing CorporationJournal of NanomaterialsVolume 2013, Article ID 287094, 10 pageshttp://dx.doi.org/10.1155/2013/287094

Research ArticleQDs Supported on Langmuir-Blodgett Films of Polymers andGemini Surfactant

T. Alejo, B. Martín-García, M. D. Merchán, and M. M. Velázquez

Departamento de Quımica Fısica, Facultad de Ciencias Quımicas, Universidad de Salamanca,Plaza de los Caıdos s/n, 37008 Salamanca, Spain

Correspondence should be addressed to M. M. Velazquez; [email protected]

Received 7 May 2013; Revised 18 June 2013; Accepted 19 June 2013

Academic Editor: Amir Kajbafvala

Copyright © 2013 T. Alejo et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, whichpermits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Different LB films of poly(octadecene-co-maleic anhydride), PMAO, poly(styrene-co-maleic anhydride) partial 2 butoxy ethylester cumene terminated, PS-MA-BEE, and Gemini surfactant ethyl-bis(dimethyl octadecylammonium bromide), 18-2-18, havebeen used to study the effect of the substrate coating on the surface self-assembly of CdSe quantum dots (QDs). Results show thatall the “coating molecules” avoid the 3D aggregation of QDs observed when these nanoparticles are directly deposited on mica.Different morphologies were observed depending on the molecules used as coatings, and this was related to the surface properties,such as wetting ability, and the morphology of the coating LB films.

1. Introduction

Nanoparticles have received great interest due to their uniqueoptical, mechanical, and electric properties. For several tech-nological applications it is necessary to support them on asubstrate [1]. In these situations, the organization of nanopar-ticles into ordered arrays can lead to new interesting prop-erties, which are strongly affected by the morphology of thenanoparticle film [2–6]. Nanoparticles tend to agglomerateby attractive interactions [7, 8] decreasing the quality of thedevices. Therefore, the most recent efforts involve the use ofpolymer or surfactant molecules to minimize nanoparticles3D aggregation. Despite the great interest generated in recentyears on this topic, more work must be carried out to developmultifunctional materials with novel electric, magnetic, oroptical properties [9].

Several lithographic techniques have been employed togenerate well-ordered nanostructures [10–12]; however, thesemethods are often limited because they require specializedequipment. Layer by layer deposition (LbL) is an alternativeapproach to self-assembly polymeric nanocomposites [13,14]. In the LbL methodology the multilayer is achieved byconsecutive adsorption of polyelectrolytes and nanoparticlesby electrostatic interactions. Consequently, this approach canbe only used for charged polymers and nanoparticles, which

exclude a wide number of functional materials. Langmuir-Blodgett (LB) methodology, based on the transfer processof Langmuir films from the air-water interface onto solids,has proved to be a versatile and interesting tool to obtainwater-insoluble thin films. This deposition technique allowsthe continuous variation of particle density, spacing, andarrangement by compressing or expanding the film usingbarriers. Consequently, it offers the possibility of preparingreproducible films of polymers, surfactants, and nanoparti-cles with the control of interparticle distance necessary toexploit the nanocomposites in technological applications [15,16].

One of the issues of LBmethodology lies on the dewettingeffects observedwhen nanoparticles are deposited onto solids[17, 18]. These dewetting processes induce nanoparticlesaggregates that in several circumstances ruin the physicalproperties of the nanoparticles [19]. To avoid the dewettingprocess, a widely used strategy consists in modifying thesurface properties of solids by covering the substrates withself-assembly monolayers [20–24]. This strategy facilitatesthe incorporation of nanoparticles onto solids by improvingthe nanoparticle wettability and has been used to depositCdSe QDs onto silanes [22–24] and gold nanoparticles ontoacrylic block copolymers derivatives [21]. Despite the greatinterest expressed for this technique, several efforts must be

2 Journal of Nanomaterials

made to know the role of coatings on the nanoparticle self-assembly at the interface in order to improve the propertiesof the nanoparticle films. With this objective in mind, wecarried out a systematic study of the effect of the coatingmolecules on the QDs self-assembly process of CdSe QDs.We have selected three amphiphilic molecules of distinctnature, the copolymers, PMAO and PS-MA-BEE, and theGemini surfactant 18-2-18. All these molecules present sur-face activity; therefore, we expect that they anchor to thesubstrate mica, through their hydrophilic moieties favoringtheQDs adhesion across its hydrophobic part. In addition, wechose the polymer PMAO because it is well established thatPMAO interacts effectively with hydrophobic nanoparticlesleading to excellent stability by avoiding 3D aggregation [25–28]. On the other hand, PMAO-capped nanoparticles havebeen successfully incorporated onto solid substrates by the LBtechnique [29], and PMAO thin filmswere employed tomakeQDs compatible with biosensing applications [30].Moreover,styrene copolymers, such as PS-MA-BEE, were proposed asgood candidates to organize hybrid materials at nanometerscale [31–33] to fabricate submicrometric electronic devicesbecause they present mechanical rigidity and good adhesionon solids [34, 35].

On the other hand, surfactants are often used to controlnanomaterials self-assembly [36–38]. In particular, Geminisurfactants made of two surfactant monomers linked by aspacer chain display high adsorption on solid surfaces andbiological compatibility [39, 40].Therefore, LB films of Gem-ini surfactants such as 18-4-18 and 18-12-18 have been usedas substrate coating to improve the adsorption of collagen onsolids [20], and some researchers have proposed combiningthis with DNA for biotechnological applications [41, 42].Accordingly, we expect that the LB films of the Geminisurfactant 18-2-18 result in good substrate coating for QDsdeposition.

Themethodology employed in thiswork consists in trans-ferring nanoparticles of QDs from the air-water interfaceonto mica previously coated by LB films of PMAO, PS-MA-BEE, or the Gemini surfactant 18-2-18. Since severalpolymer/surfactant mixtures provide synergistic effects onthe surface adsorption [43–46], we also studied the ability ofmixed PMAO/18-2-18 LB films tomodulate the self-assemblyofQDs films.The LB filmmorphologywas analyzed by differ-ent imaging microcopy techniques, atomic force microscopy(AFM), scanning electron microscopy (SEM), and transmis-sion electron microscopy (TEM).

2. Materials and Methods

2.1. Materials. The polymers poly(maleic anhydride-alt-1-octadecene), PMAO (Mr = 40 kDa) and poly(styrene-co-maleic anhydride) partial 2 butoxy ethyl ester cumene termi-nated, PS-MA-BEE, were purchased fromSigma-Aldrich. PS-MA-BEE with an ester : acid ratio 1 : 1 and molecular weightMr = 2.5 kDa were provided by the manufacturer. The Gem-ini surfactant ethyl-bis(dimethyl octadecylammonium bro-mide), 18-2-18, was synthesized using the method describedby Zana et al. [47] with some significant modifications inthe crystallization step introduced by our group [48] to

guarantee the degree of purity (>99.9%) necessary for thecorrect interpretation of surface experiments.

The synthesis of CdSe QDs capped with trioctylphos-phine oxide (TOPO)was carried out by themethod proposedby Yu and Peng [49], described in more detail in [19]. TheQDs size (3.55 ± 0.05 nm) was determined by the position ofthe maximum of the visible spectrum of the QDs dispersedin chloroform [50]. We calculated the concentration ofnanocrystals from the UV-Vis absorption spectrum of QDsdissolved in chloroform by using the extinction coefficientper mole of nanocrystals at the first excitonic absorptionpeak [50]. UV-Vis absorption spectra of QDs solutions wererecorded on a Shimadzu UV-2401PC spectrometer.

Chloroform (PAI, filtered) used to prepare the spread-ing solutions was purchased from Sigma-Aldrich. Milliporeultrapure water prepared using a combination of RiOs andMilli-Q systems was used as subphase. The LB substratemuscovite (mica) qualityV-1was supplied by EMS (USA) andwas freshly cleaved before use.

2.2. Preparation of Langmuir Monolayers and Langmuir-Blodgett Films. Thesurface pressuremeasurements were per-formed on a computer-controlled Teflon Langmuir film bal-ance Standard KSV2000-2 (KSV, Finland). Spreading solu-tion was deposited onto water subphase with a Hamiltonmicrosyringe. The syringe precision is 1𝜇L. The surfacepressurewasmeasuredwith a Pt-Wilhelmyplate connected toan electrobalance.The subphase temperature wasmaintainedat (20.0 ± 0.1)∘C by flowing thermostated water throughjackets at the bottom of the trough. The temperature nearthe surface was measured with a calibrated sensor fromKSV. The water temperature was controlled by means of aLauda Ecoline RE-106 thermostat/cryostat. Langmuir mono-layers were transferred by symmetric barrier compression(5mmmin−1) by the vertical dipping method at a rate of5mmmin−1, forming Y-type LB films. The methodologyemployed for the bilayer preparation is as follows. First, thepolymer or surfactant film is LB deposited. After deposition,the film is dried under vacuum, and then, the QD layer istransferred onto the surfactant or polymer LB film by the LBmethodology. To differentiate between the components anddeposition order of the different LB films, we will employ thenotation // to separate the components of the two layers incontact, and the components order is from solid substrate toair.

2.3. Scanning Electron Microscopy (SEM). A FEI Helios 450dual-beam FIB/SEM was used to obtain images of the LBfilms with a supply to the electron beam between 5 and 10 kV.

2.4. Atomic Force Microscopy (AFM). AFM images of the LBfilms deposited on mica were obtained in constant repulsiveforce mode by AFM (Nanotec Dulcinea, Spain) with a rect-angular microfabricated silicon nitride cantilever (OlympusOMCL-RC800PSA) with a height of 100𝜇m, a Si pyramidaltip (radius < 20 nm), and a spring constant of 0.73Nm−1.The scanning frequencies were usually in the range between0.5 and 2.0Hz per line. The measurements were carried outunder ambient laboratory conditions.

Journal of Nanomaterials 3

2.5. Transmission Electron Microscopy (TEM). TEM imagesof the LB films deposited on Formvar-carbon-coated coppergrids were takenwith 80 kVTEM (ZEISS EM902, Germany).The LB deposition onto copper grids was realized at a speedup to 1mmmin−1.

3. Results

To evaluate the effect of the polymer hydrophobic block onthe morphology of QDs films, we used two maleic anhydridepolymer derivatives containing hydrocarbon chains (PMAO)or styrene moieties (PS-MA-BEE) as hydrophobic blocks.

To optimize the QDs deposition, it is necessary tocharacterize the polymer Langmuirmonolayers precursors ofthe coating LB films. In previous work, we have studied thesurface properties of these polymersmonolayers [45, 53]. Ourresults showed that the PS-MA-BEE isotherm is characteristicof block copolymers with a plateau at ∼30mNm−1 attributedto the onset of polymer phase transition towards brushconformation, while the PMAO isotherm is typical of anamphiphilic material in which the collapse is reached at thesurface pressure value of 40mNm−1 [45]. The equilibriumelasticity values, calculated from the isotherms and 𝜀0 =Γ(𝛿𝜋/𝛿Γ)𝑇, allowed us to obtain information of the surfacestates, and significant differences were observed between thepolymer films. Thus, the PMAO monolayer is more elasticthan PS-MA-BEE and reaches the maximum 𝜀0 value of167mNm−1 at a surface pressure of 30mNm−1 [45], whilethe maximum elasticity value found for monolayers of PS-MA-BEE was 60mNm−1 at 𝜋 = 14mNm−1 [54].

To prepare theQDs films using thismethodology, the firststep is to obtain dense LB films of polymers by transferringthe densest Langmuir monolayers of monomers avoidingpolymer aggregation. According to this procedure, we trans-ferred Langmuir monolayers at the maximum elasticity valuebecause beyond this value the monolayer collapses, resultingin 3D polymer aggregates at the interface. These 3D aggre-gates are metastable and lead to nonreproducible results,which are not desirable.Therefore, the LBfilmswere preparedby transferring Langmuir monolayers of PS-MA-BEE at14mNm−1 and of PMAO at 30mNm−1, respectively. TheAFM images of these polymer filmswere obtained in previouswork and showed that the PS-MA-BEE film presents widestripes along the film [53] with height profile values rangingfrom 8 to 10 nm, while the PMAO LB film presents somesmall holes produced by dewetting processes [45]. The nextstep was to deposit QDs onto LB films of these polymers.Thesurface pressure value of the QD monolayer transferred onthe substrate coating was 9mNm−1.

To evaluate the film morphology at different scales, weused AFM, TEM, and SEM. Representative images of differ-ent films are collected in Figure 1. From these images one cansee different morphologies depending on the polymer usedas coating. Figures 1(a) and 1(b) show the AFM images ofQDs deposited onto PS-MA-BEE and PMAO, respectively.Significant differences can be seen. Thus, the QDs filmsprepared on PS-MA-BEE are constituted by island-like aggre-gates of different sizes (Figure 1(a)). The TEM image of thisfilm (Figure 1(c)), allows analysis of the island architecture,

demonstrating high polydispersity degree in the island size.Conversely, the QDs film deposited onto PMAO LB film(Figure 1(b)) presents higher coverage than that depositedonto PS-MA-BEE (Figure 1(a)). TEM image of PMAO//QDfilm (Figure 1(d)) presents a magnification of this film andshows isolated nanoparticles deposited along the film. Someregions without nanoparticles are observed in both AFM andTEM images. These regions can be compatible with zonesless densely covered observed on the PMAO films used assubstrate coating [45]. This fact seems to indicate that theQDs are preferentially adsorbed on PMAO.

The height profiles obtained from the AFM images werealso determined, as shown in Figures 1(a) and 1(b), and resultsdemonstrated that the QD film height is independent of thepolymer used as coating. The average value calculated fromseveral images, (3 ± 1) nm, is compatible with the diameterof CdSe nanoparticles. Therefore, results demonstrate thatdeposition onto LB films of PS-MA-BEE and PMAO avoidsthe QDs 3D aggregation. These 3D structures were clearlyobserved when the QDs films are deposited on mica withoutprevious treatment of the substrate [45].

Our results demonstrate that the polymer PMAO favorstheQDs deposition comparedwith the polymer PS-MA-BEE.To interpret this behavior, it is necessary to consider thatthe polymer PMAO and the QDs ligand (TOPO) presenthydrocarbon chains as hydrophobic groups, while the hydro-carbon moiety of the polymer PS-MA-BEE contains styrenegroups. Accordingly, the poly-styrene groups likely present amore unfavorable interaction with the hydrocarbon chains ofTOPO than the hydrocarbon chains of PMAO, and the QD-QD interaction prevails, resulting in island-like aggregates.

We explore the ability of the surfactant 18-2-18 to adsorbnanoparticles of QDs. This surfactant molecule contains thesame hydrocarbon chain as the polymer PMAO and rendersan almost continuous LB film of close-packed surfactantmolecules [48]; therefore, it could improve the adsorption ofQDs resulting in a more continuous and homogeneous QDsfilm than PMAO.

The LB surfactant film was built by transferring denseLangmuir monolayers before the collapse, 30mNm−1. Theheight profile of the surfactant LB film, (Figures 2(a) and2(b)), determined by AFM was 2.2 nm. This value agreeswith the length of the fully extended hydrocarbon chain of18 methylene groups (2.4 nm) [55]. This fact indicates thatthe surfactant molecules are nearly vertical to the air-solidinterface and expose its hydrophobic moiety to the QDsligand deposited onto the LB surfactant film. We transferredthe QDs Langmuir monolayer at the surface pressure valueof 9mNm−1 onto the Gemini surfactant LB film. Figures2(c) and 2(d) correspond to the SEM and TEM images ofQDs films deposited onto the surfactant LB film. The SEMimage (Figure 2(c)), shows large domains of QDs while theTEM image allows us to analyze the structure inside domains,as shown in Figure 2(d). In the AFM measurements, theheight profile obtained for theQDs domains was 3-4 nm.Thisvalue is compatible with the diameter of the nanoparticles,indicating that the surfactant LB film also avoids the 3Daggregation of nanoparticles.


0 1 20

2

4

1.3 𝜇m

Z(n

m)

X (𝜇m)

(a)

0 1 20246

Z(n

m)

X (𝜇m)

(b)

(c)

50nm

(d)

Figure 1: AFM((a), (b)) andTEM((c), (d)) images of PS-MA-BEE//QDs ((a), (c)) andPMAO//QDs ((b), (d)) bilayer LBfilms.The inset showsa magnification of a PMAO topographic AFM image. The PS-MA-BEE and PMAO Langmuir monolayers were transferred at the surfacepressure of 14 and 30mNm−1, respectively, and QDs at 9mNm−1.

From the TEM image in Figure 2(d), it can be seen thatthe QDs domains are constituted by close-packed nanoparti-cles. To evaluate the distance between QDs inside domainswe have calculated the radial distribution function (RDF),𝑔(𝑟), by using the ImageJ 1.46 software [56], as shown inFigure 2(e). The RDF is determined from the distributionof interparticle center distances (𝑟) in several TEM imageswhere the QDs are densely packed. This function providesinformation about the short-range order inside the QDsdomains. The RDF in Figure 2(e) represents the normal-ized function referred to the maximum value showing adistribution centered at 𝑟 = 5.1 ± 0.1 nm. From thisvalue, the interparticle distance (𝑑) was calculated, and thevalue found was 1.7 nm. This distance is slightly higher than

two times the length of the TOPO coatingmolecules (0.7 nm)[57] and is consistent with a close-packed QDs arrangement.

Summarizing, our results demonstrate that the mostpacked QDs domains are obtained for films built by transfer-ring QDs Langmuir monolayers from the air-water interfaceonto the Gemini surfactant 18-2-18 LB film.Moreover, resultsshow the importance of both the attractive interactionsbetween the QDs ligand (TOPO) and the molecules usedto modify the properties of the solid support and themorphology of the coating film.

In an attempt to interpret this behavior, we analyzedthe ability of QDs to wet the different molecules employedas substrate coating by means of the spreading parameter.The spreading parameter has been used previously in LB


(a)

0 1 20

2

4𝜇m

4𝜇m

Z

Z(n

m)

X (𝜇m)

(b)

20𝜇m

(c) (d)

0 20 40 600

0.5

1

Gemini//QDs

PMAO/Gemini//QDs

r (nm)

gno

rmal

ized(r)

rd

(e)

Figure 2: (a) 2D and 3D AFM images of Gemini surfactant LB films on mica. SEM (b) and TEM (c) images of Gemini//QDs LB films. TheGemini and QDs Langmuir monolayers were transferred at the surface pressure of 30 and 9mNm−1, respectively. (d) RDF obtained fromTEM images of QDs LB film onto Gemini and PMAO/Gemini LB films.

films to evaluate their stability [58] and to interpret thenanostructures formed by nanoparticles deposited onto dif-ferent substrates [59]. Therefore, we analyzed the spreadingparameter indicative of the balance between QDs and thecoating layer (adhesive forces) and QD-QD (cohesive forces)intermolecular forces.

The spreading parameter, 𝑆, is calculated by [18, 58]

𝑆 = 𝛾layer 1/air − (𝛾QDs/layer 1 + 𝛾QDs/air) , (1)

where 𝛾layer 1/air, 𝛾QDs/layer 1, and 𝛾QDs/air, represent the surfacetensions at the layer 1-air, QDs-layer 1, andQDs-air interfaces,


Table 1: Spreading coefficients and interfacial tension values for thedifferent systems studied.

Bilayer systemsInterfacial tension

(mNm−1)c Spreading coefficient𝑆 (mNm−1)𝛾layer 1/air 𝛾QDs/layer 1

PMAO//QDs 33.7a 0.0 0.7PSMABEE//QDs 39.3b 8.3b −2.0Gemini//QD 36.0 0.0 3.0a[51]; b[52]; cLayer 1 refers to the substrate coating film. See text.

respectively. The layer 1 notation refers to the substratecoating layer formed by polymers or surfactant molecules.The QDs/air surface tension value 𝛾QDs/air used in these cal-culations was taken from the literature as 33mNm−1 [60].The 𝛾polymer/air for both polymers was approximated to thesurface tensions of the hydrophobic moiety exposed to theair [31], linear polyethylene (PE) for the polymer PMAO [51],and polystyrene (PS) for PS-MA-BEE [52], respectively. Sincethe interface between PS-MA-BEE and QDs is constitutedby styrene groups of the polymer PS-MA-BEE and hydro-carbon chains corresponding to the QDs ligand (TOPO),the 𝛾PSMABEE/QDs value was taken as the interfacial tensionbetween polystyrene and polyethylene molecules 𝛾PS/PE =8.3mNm−1 [31, 52]. In the case of PMAO//QDs film, thecontact between the polymer film and the QDs ligand isthrough the hyrocarbon chains, therefore the interfacialtension was considered as zero.

The Gemini/air surface tension, 𝛾Gemini/air, was calculatedby combining the Young’s equation and the Equation-of-State resulting in the following equation for the cosine of thecontact angle, 𝜃 [61]:

cos 𝜃 = − 1 + 2√𝛾Gemini/air/𝛾water/air

× exp [−0.0001247(𝛾water/air − 𝛾Gemini/air)2] .(2)

To calculate the 𝛾Gemini/air value, we take the contact angleas 80∘ from the literature [20], and we consider 𝛾Gemini/QDsas zero because the contact between the Gemini film andthe QDs ligand (TOPO) is through hydrocarbon chains. InTable 1 the surface tension and spreading coefficient valuescalculated for the different systems. It is interesting to noticethat the spreading parameter 𝑆 is negative for the PS-MA-BEE//QDs system. This fact means that QDs do not spreadwell on the PS-MA-BEE film, and the nanoparticles aggregatein islands, as shown in Figures 1(a) and 1(c). Conversely, the𝑆 parameter corresponding to the Gemini//QDs system isthe most positive one. This indicates that the QDs wet thesurfactant film well, favoring the adsorption of nanoparticleson the surfactant film. As a consequence, the surfactant filminduces a high QDs coverage. Since the surfactant formsan almost continuous and homogeneous film, the QDs arehomogeneously distributed along it, as shown in Figure 2(d).An intermediate situation was observed for PMAO//QDsfilms. In this case the 𝑆 value is positive, indicating that

the QDs wetting is good, but smaller than that is calculatedfor the surfactant, as shown in Table 1. In addition, the PMAOfilm used as substrate coating presents small holes.These twofacts render a less efficient QDs adsorption on this film thanonto the Gemini one.

In an attempt to improve the adsorption ability of thePMAO coating film, we explored mixtures of PMAO andGemini surfactant. It is well established that polymer/surfac-tantmixedmonolayers show synergistic effects in several filmsurface properties [62], such as the surface concentration.Therefore, we expect that mixed LB films could improvethe QDs adsorption. Since the synergistic effects are usuallyrelated to attractive interactions between components at theinterface, prior to the LB deposition we carried out thethermodynamic study of thesemixtures by recording the sur-face pressure isotherms of mixed monolayers with differentcomposition.

In Figure 3(a) some of these isotherms are represented.It is well established that the ideal behavior of a mixedmonolayer can be related to the componentmiscibility, whichis studied by means of the dependence of the excess area,𝐴exc, with the mixture composition. Therefore, we analyzedthe variation of the excess area calculated from the isothermsand [63]: 𝐴exc = 𝐴12 − (𝑋1𝐴1 + 𝑋2𝐴2). In this equation𝐴12 represents the mean area per molecule in the mixedmonolayer, and 𝐴1, 𝐴2 are the areas per molecule of thepure components at the same surface pressure value. Finally,𝑋1 and 𝑋2 represent the mole fraction of each componentat the interface. The excess area can be zero when thetwo components are immiscible or when the componentsform an ideal mixture, while the deviation from zero issignature of interactions between the components [63]. InFigure 3(b) the 𝐴exc values are plotted against the Geminimole fraction, 𝑋Gemini. Negative deviations occur for allcompositions and the most negative one appears around𝑋Gemini = 0.33.This behavior indicates the existence of attrac-tive interactions between molecules at the interface resultingin highly packed and elastic monolayers, as shown in Figures3(a) and 3(c), respectively. Accordingly, we transferred amixed PMAO/Gemini Langmuir monolayer of composition𝑋Gemini = 0.33 from the air-water interface onto mica atthe surface pressure value of 30mNm−1. We selected thissurface pressure because it corresponds to a dense state inwhich the monolayers do not reach the collapse. For thesake of comparison, the QDs monolayer was transferred atthe same surface pressure employed to build the other QDsfilms, 9mNm−1. The AFM image of the PMAO/Gemini(𝑋Gemini = 0.33) LB film without QDs is presented in Figures4(a) and 4(b). The image shows an almost continuous filmof PMAO and surfactant molecules with a height profile of2 nm. AFM and TEM images of PMAO/Gemini//QDs LBfilms are collected in Figures 4(c) and 4(d), respectively.These images show big QDs domains of similar morphologyto those observed when the surfactant is used to cover thesubstrate. This indicates that the addition of small amountsof the Gemini surfactant to the PMAO monolayer leadsto QDs films of similar structure to that observed on theGemini film. To analyze possible differences between the


25 50 75 100 1250

20

40

60

3

2

Gemini

PMAO1

𝜋(m

N m

−1)

Area per repeat unit (A2)

(a)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0Ideal mixture

−10

−20

XGemini

Aex

c(A

2)

(b)

0 10 20 30 40 500

100

200

2

PMAO

Gemini

QDs

𝜋 (mN m−1)

𝜀 0(m

N m

−1)

(c)

Figure 3: (a) Surface pressure isotherms of PMAO/Gemini mixed Langmuir monolayers at surfactant mole fraction of: 0.25 (1); 0.33 (2);0.40 (3); PMAO and Gemini surface pressure isotherms are also represented. (b) Excess molecular area of mixing (𝐴 exc) versus compositionfor PMAO/Gemini mixed monolayers. (c) The equilibrium surface elasticity modulus versus surface pressure of QDs, PMAO, Gemini andPMAO/Gemini mixed (𝑋Gemini = 0.33) (2) Langmuir monolayers.

architecture of QDs films deposited onto the surfactant 18-2-18 and onto the PMAO/surfactant mixed films, we analyzedthe RDF function obtained from the images of these films.For comparison, we represented the two radial distributionfunctions in Figure 2(e). In Figure 4(d), a representative TEMimage corresponding to the areas selected for RDF analysisis presented. Results show that the first RDF peak for QDsdeposited onto the PMAO/Gemini//QDs films is centered at5.5±0.1 nm, while the one corresponding to Gemini//QDs iscentered at 5.1±0.1 nm. To gain insights into the arrangementof QDs in the two LB films, we evaluated the number ofparticles in the successive shells (𝑁𝑖; 𝑖 = 1, 2, . . .) from theintegration of the RDF individual peaks. The first two shellscontain ca. 5 and 10 particles for QDs deposited onto theGemini LB film.This is compatible with an arrangement closeto an ideal hexagonal array (𝑁1 = 6, 𝑁2 = 12). In contrast,

to QDs films adsorbed on the PMAO/Gemini LB film, thenumber of particles in the first and second shell is 5 and 7,respectively. This fact indicates that the hexagonal array ofQDs adsorbed on the Gemini LB film is slightly distorted bythe addition of PMAO at the Gemini surfactant coating film.

4. Conclusions

The results obtained in this work demonstrate that themorphology of theQDsfilms depends on the interfacial inter-actions between nanoparticles and the molecules employedto coat the solid substrate. The different morphologies wererelated to both the film wettability and the morphologyof polymer and surfactant films used as substrate coatings.Thus the surfactant film showed the best wettability, andsince it is constituted by close-packed surfactant molecules,


(a)

0 0.5 1 1.5024

Z

4𝜇m

4𝜇m

Z(n

m)

X (𝜇m)

(b)

0 1 2024

Z(n

m)

X (𝜇m)

(c)

50nm

(d)

Figure 4: (a) 2D and 3D AFM images of PMAO/Gemini mixed LB films on mica. AFM (b) and TEM (c) images of PMAO/Gemini//QDsLB films. The PMAO/Gemini and QDs Langmuir monolayers were transferred at the surface pressure of 30 and 9mNm−1, respectively. ThePMAO/Gemini mixture was prepared at the surfactant mole fraction of 0.33.

this renders an almost continuous film of QDs. Conversely,when nanoparticles do not wet properly the film, the QDsaggregate in islands. This situation was observed for QDsdeposited onto PS-MA-BEE films. An intermediate situationis observed for PMAO//QDs films. In this case, although theQDs wet the PMAO film well, the deposition is less efficientthan on the surfactant. This fact is probably caused bythe absence of covered polymer areas observed for PMAOfilms [45]. Finally, our results demonstrate that it is pos-sible to modulate the QDs assembly on solids by modify-ing the nature of the molecules selected to coat the solidsubstrate.

Acknowledgments

The authors thank financial support from ERDF and MEC(MAT 2010-19727). T. Alejo and B. Martin-Garcia wish tothank the European Social Fund and Consejerıa de Edu-cacion de la Junta de Castilla y Leon for their FPI grants. Theauthors also thank to Dr. J. A. Perez-Hernandez and Ultra-Intense Lasers Pulsed Center of Salamanca (CLPU) for theAFM measurements, to Dr B. Rodrıguez and InternationalIberian Nanotechnology Laboratory (INL) for the FIB/SEMfacility, and the ElectronMicroscopy Service (Universidad deSalamanca) for the TEMmeasurements.


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Dr. Beatriz Martin GarciaPost doctoral Researcher

NanoChemistry DepartmentInstituto Italiano di Tecnologia

E mail: Beatriz.Martin [email protected]

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Italian Institute of Technology

Sede Legale: Via Morego, 30 16163 Genova Uffici di Roma: Via Sicilia, 194 00187 RomaTel. 010 71781 Fax. 010 720321

C.F. 97329350587 P.IVA 09198791007

REFEREE REPORT ON THE Ph.D. THESIS AT THE UNIVERSITY OF SALAMANCA (SPAIN) PRESENTED BYTERESA ALEJO CUESTA

To Whom it may concern,

The Ph.D. Thesis entitled "Thin Films of Self Assembled Quantum Dots, Surfactants andPolymers" (Películas Delgadas de Quantum Dots, Tensioactivos y Polímeros Autoensamblados) carriedout in the Physical Chemistry Department at the University of Salamanca under the supervision ofProf. Dr. M.M. Velázquez and Dr. M.D. Merchán belongs to the Nanomaterials Area in accordancewith the manuscript receipt for the evaluation. The subject choosen is a current topic since, as it isshown in the draft, nanomaterials have gained a growing interest in recent years due to their sizedependent properties, which allow their use in a broad range of applications from the MaterialsScience to the Biomedicine.

Focusing the attention on the research work, the results presented allow to gain insights intothe understanding of the equilibrium and dynamic processes at different interfaces (air liquid, airsolid and liquid solid) and the development of approaches for nanomaterials assembly andapplication. In addition, in the experimental work different materials (surfactants, polymers, QDs orsilanes) and a broad variety of techniques, such as Langmuir troughs, AFM, electron microscopies,ellipsometry, FLIM and QCM D, have been used. This is important not only for the characterizationand study of the different systems proposed but also for the Ph.D. Student's training.

With the regards to the dissemination, the results obtained during the Ph.D. stage have led tothree articles as first author published in peer reviewed international journals, such as Thin Solid FilmsorMaterials Chemistry and Physics also another one is ready to be submitted in Langmuir. Moreover,the manuscript of the Thesis is well presented and structured throughout the six chapters and threemain blocks (surfactant and polymer monolayers, QD based films and QCM D studies), with clear aimsand conclusions, and reflects the relevance of the subject and a deep experimental work.

Dr. Beatriz Martin GarciaPost doctoral Researcher

NanoChemistry DepartmentInstituto Italiano di Tecnologia

E mail: Beatriz.Martin [email protected]

Fondazione Istituto Italiano di Tecnologia Italian Institute of Technology

Sede Legale: Via Morego, 30 16163 Genova Uffici di Roma: Via Sicilia, 194 00187 RomaTel. 010 71781 Fax. 010 720321

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To sum up, I would like to congratulate the Supervisors, the Research Collaborators and thePh.D. Student, T. Alejo, for their work and the quality of the results obtained. Therefore, this Ph.D.Thesis meets all the requeriments for presentation and oral dissertation at the Universidad deSalamanca,

Genova, 26th May 2014

Dr. Beatriz Martin Garcia

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